2024年9月26日，郑州大学作为共同第一作者单位在Nature杂志正式发表了题为“Probing plant signal processing optogenetically by two channelrhodopsins”的研究论文，其中生命科学学院周杨博士作为共同第一作者参与了该项研究。
面对外界刺激，具有固着生长特性的植物通常会通过电信号、Ca2+信号与ROS信号应答不同的外界胁迫刺激而快速做出响应，包括损伤、病原菌侵害、干旱胁迫、盐胁迫等，并调控基因表达水平和代谢产物的变化。电信号、Ca2+信号和ROS信号是最早发现的植物信号响应因子，在植物胁迫响应中他们与植物激素信号相互作用形成复杂的调控网络机制。当前，针对这些特异性信号因子调控植物生理响应的分子机理尚缺少深入的研究，主要技术瓶颈在于缺少能够实现电信号或离子信号单独调控植物生理相应的技术手段。该研究利用光遗传技术，通关调控光敏感阴离子通道蛋白ACR1 2.0和具有高Ca2+通透性的光控阳离子通道蛋白XXM 2.0实现了在相同电信号（细胞去极化）的状态下，有效地研究了Ca2+信号内流或阴离子外流所引起的植物应激生理反应，有效地解码了植物电信号和Ca2+信号背后所编码的植物胁迫应答分子机制。
2010年，光遗传学被Nature Methods选为年度方法，同年被 Science杂志评为“十年内的重大突破技术”。该项技术的发明使得利用光脉冲控制细胞的电生理活动的相关研究成为可能。光遗传学是利用基因工程将“光受体蛋白”导入特定细胞或生物后，利用光照实现对目的细胞或生物进行操控，进而调控细胞的生理活动。目前，光遗传学技术中应用最多的光受体工具仍然是光控阳离子通道Channelrhodopsin-2（ChR-2）。ChR-2是一种视紫红质蛋白，它是一种天然的光敏感蛋白，也是许多生物视力的基础。1995年，当时还在德国马克斯·普朗克生物物理研究所就职的Georg Nagel（周杨的博士导师）教授和Ernst Bamberg教授首次证明了，将来自古细菌（细菌视紫红质）的光控离子泵表达在动物细胞中可以起到调控跨膜电流变化的作用。之后，Georg Nagel教授和Peter Hegemann教授一起证明了两种光敏感通道蛋白ChR-1和ChR-2的存在，他们的成果分别于2002年和2003年发表在Science和PNAS杂志上。
2021年，Georg Nagel教授课题组首次报道并实现了光遗传学技术调控植物生长发育的技术突破。该成果主要由课题组内高世强博士设计、周杨博士负责实施研究，相关成果发表在Nature Plants杂志上。该成果实现了植物中表达内源性视黄醛的技术突破，该项技术突破促进了基于ChR的光遗传学工具在植物中的应用，同时为目前发表在Nature杂志上的研究成果奠定技术和方法等重要基础。
目前，郑州大学生命科学学院通过周杨博士与高世强博士负责的维尔茨堡大学光遗传学实验室建立了紧密的科研合作关系。周杨博士作为该论文的共同第一作者，参与了早期应用于植物的光遗传学工具的构建和筛选、相关转基因植物的培育、电生理数据的采集和远距离电信号检测方法的建立等工作。植物光遗传学技术作为植物生理学，尤其是植物电生理学研究的新兴方向，具有广阔的应用场景。
上述两项研究突出了光遗传学工具在精确调控植物应激反应中的潜力，通过调整具有明确特征的光照模式，能够为人们提供在相当高的时间和空间精度上控制Ca2+信号、电信号或特定离子通量变化的技术手段。这使得阐明特定离子通量在植物生长、发育和应激反应中的确切作用和分子机理成为可能。这也将大幅提高作物抗性的遗传特征，为生物育种、植物免疫研究提供了新的研究思路，同时也极大地促进了现代农业科学的基础理论发展。
图注: 绿光激活ACR1 2.0并形成阴离子细胞外流，诱导植物干旱胁迫响应伴随着ABA的累积与ABA等信号通路的激活。XXM 2.0 激活形成的Ca2+细胞内流诱导植物免疫响应，表现出SA等相关激素的水平的提高与细胞程序性死亡。(图片来自于丁美琪)
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07884-1
参考文献：
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