点亮植物进化的隧道：科学家探索植物中双孔通道的重要性

双孔通道(TpCs)是一种存在于动植物细胞中的古老离子通道。在包括人类在内的动物体内，这些离子通道在大脑和神经系统等各种组织的生物活动中发挥着重要作用。所有陆生植物均含有TpC基因;在许多高等维管植物中，如拟南芥(Arabidopsis thaliana)和水稻(Oryza sativa)，一个TpC基因参与了慢液泡(SV)通道(电压依赖性阳离子通道)的活动，以及远程信号传递、防御和对环境胁迫的响应。然而，人们对地球上最古老的生物——不开花的苔藓和地苔——中TpC蛋白的功能知之甚少。

在最近的一项研究中，由日本东京科学大学Kazuyuki Kuchitsu教授领导的研究团队与波兰Maria Curie-Sklodowska大学的研究人员合作，探讨了不开花苔藓植物Marchantia polymorpha中双孔通道的进化和生理意义。他们被广泛认可和赞赏的文章详细讨论了这项研究，于2021年12月首次在网上发表，随后出版在2月份的《植物和细胞生理学》(plant and Cell physiology)杂志上。这篇文章也被选为该杂志的“编辑选择”和“研究亮点”文章，该杂志已经在这里发表了关于这项研究的评论。这项研究的资金是通过日本科学促进协会和波兰国家科学中心的赠款获得的。

M. polymorpha或普通苔类植物，生长在潮湿的土壤或岩石上，是最早定居在陆地上的植物之一的现存后裔。多形枝虫是一种简单的模式生物，已被用于分析陆生植物的共同特征。“我们意识到M.多态性基因组有三个TpC同源物:MpTpC1、2和3，属于两个独特的组，1型和2型TpC基因。我们的目的是了解TpC蛋白的这两个亚群在多态性分枝杆菌中的作用，”Kuchitsu教授解释说。

为此，研究人员首先对绿色植物谱系中的TpC基因进行了系统发育分析。然后他们鉴定了三种TpC蛋白:来自1型TpC基因的MpTpC1和来自2型TpC基因的MpTpC2和MpTpC3。他们用荧光标记标记了这些蛋白，研究了它们在M.多态性细胞中的定位。通过CRISpR-Cas9基因组编辑，研究人员开发了不含功能性TpC1、TpC2或TpC3基因的突变植物，以及同时缺乏TpC2和TpC3基因功能的双突变植物。然后，通过膜片钳电生理学分析，他们测量了从多形分枝杆菌植物活细胞中分离出的液泡中的离子电流。

系统发育分析的结果对多形支蜱的进化史提供了一些有趣的见解。“不像1型TpC基因在所有陆生植物中都保存得很好，2型TpC基因在藻类物种中被发现。这表明，尽管2型tpc出现在植物殖民陆地之前，但它们未能进入高等维管植物和角苔的基因组，”Kuchitsu教授告诉我们。

研究人员还发现，这3个TpC蛋白主要定位在多态m.a的液泡膜上。缺失功能性TpC1基因的突变体没有SV通道活性。但缺失功能性TpC2、TpC3或两者同时缺失的突变体表现出正常的SV通道活性。激活哺乳动物细胞TpCs的磷脂酰肌醇-3,5-二磷酸和烟酸腺嘌呤二核苷酸磷酸等分子，不能影响突变植物分离液泡中的离子通道活性。Kuchitsu教授推测，“这些观察结果结合在一起表明，在所有陆生植物物种中普遍存在的1型tpc负责液泡膜中的SV通道，但2型tpc可能编码不同于SV通道和动物tpc的离子通道。”

该团队的发现为研究植物中重要但难以捉摸的TpC家族以及植物离子通道提供了亟需的功能和进化见解。着眼于未来的研究，他们还打算利用植物进化史的见解来改善植物生长和抵御生物和非生物胁迫的防御机制。这可能使农业等行业受益。