Cell|清华大学生科院陈浩东团队解锁百年之谜：植物如何感受重力？

2023-10-30 17:10

2023年10月28日，终于迎来了一个令人振奋的消息：中国学者成功解开了一个横跨一个世纪的科学谜题！这个谜题涉及植物如何感受重力的机制，曾经困扰了科学家长达120年。

一项研究于9月22日在科学杂志Cell上发表，由清华大学生命科学学院研究员陈浩东领导的团队取得了突破性的成果。他们成功揭示了植物感受重力的分子机制，给出了一个令人信服的解释。

这个科学难题的核心是：植物如何知道重力的方向，以便它们能够调整生长方向，确保自身的存活。在20世纪初，出现了一个名为“淀粉—平衡石”假说，声称这是植物感受重力的方式。然而，这个假说没有提供明确的分子机制，因此一直以来都没有得到解决。

陈浩东及其团队在解决这个谜题上投入了近10年的时间。他们的研究发现，一组名为LAZY基因的突变导致拟南芥根的生长方向从向下变成向上。这引发了他们对LAZY基因家族的浓厚兴趣，他们想知道这些基因是否与植物的向重力性有关，以及它们的工作机制是什么。

陈浩东指导学生做实验

经过一系列的实验，陈浩东的团队发现，LAZY蛋白主要分布在植物根尖柱细胞的细胞膜和淀粉体膜上，而LAZY可以直接与细胞膜上的磷脂结合。当植物偏离重力方向时，淀粉体的沉降帮助LAZY蛋白形成新的极性，从而调控了植物的向重力性。

此外，他们还发现，一个名为LAZY4的蛋白在植物偏离重力方向后会迅速磷酸化，而淀粉体表面的TOC蛋白与磷酸化的LAZY4蛋白互相作用，进一步调控植物的向重力性。这一发现使他们的研究比另一支研究团队更为深入和全面。

陈浩东的研究成果于9月22日正式在Cell上发表，引起了同行的广泛讨论。这项工作被认为是“突破性研究成果”，具有“里程碑意义”，为植物重力感应领域带来了重大突破。

这项研究是一个漫长的“马拉松”，团队在不断前行中面临各种困难，但最终取得了成功。在全球范围内，不同的研究团队也在解决同一问题，形成了一场激烈的“竞赛”。

陈浩东团队的研究最终成功发表于Cell，为科学界提供了宝贵的知识。他们的故事也是充满坚持和热情的兴趣之旅，为我们证明了，兴趣可以克服岁月的漫长，最终实现重大突破。

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(23)01035-8#%20

Gravity controls directional growth of plants, and the classical starch-statolith hypothesis proposed more than a century ago postulates that amyloplast sedimentation in specialized cells initiates gravity sensing, but the molecular mechanism remains uncharacterized. The LAZY proteins are known as key regulators of gravitropism, and lazy mutants show striking gravitropic defects. Here, we report that gravistimulation by reorientation triggers mitogen-activated protein kinase (MAPK) signaling-mediated phosphorylation of Arabidopsis LAZY proteins basally polarized in root columella cells. Phosphorylation of LAZY increases its interaction with several translocons at the outer envelope membrane of chloroplasts (TOC) proteins on the surface of amyloplasts, facilitating enrichment of LAZY proteins on amyloplasts. Amyloplast sedimentation subsequently guides LAZY to relocate to the new lower side of the plasma membrane in columella cells, where LAZY induces asymmetrical auxin distribution and root differential growth. Together, this study provides a molecular interpretation for the starch-statolith hypothesis: the organelle-movement-triggered molecular polarity formation.

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