用户成就丨北京大学李磊团队研究新突破：相干拉曼技术解锁光调控下胚轴伸长分子机制的奥秘

光是植物的能量来源，并从根本上塑造了植物生理和生长特性。植物通过快速生长的下胚轴从黑暗土壤中长出地面，随后迅速调整其生长状态以适应光下生长环境，这一过程的精确调控是植物生长发育的关键节点。下胚轴在感知光照条件变化时表现出显著的表型可塑性，一直是植物学领域阐明光信号和研究细胞伸长调控的代表性模型系统。转录因子ELONGATED HYPOCOTYL5（HY5）是植物光信号通路的核心因子，hy5突变体对光不敏感，下胚轴在见光后仍高速伸长，但这一过程具体的细胞学机制仍不清楚。

近日，北京大学现代农业研究院/潍坊现代农业山东省实验室/小麦育种全国重点实验室李磊研究员团队在Current Biology 发表了题为“Polarized pectin accumulation regulates differential hypocotyl elongation at the dark-to-light transition ”的研究论文。该研究发现拟南芥细胞壁中果胶的极性分布调控了暗转光过程中下胚轴伸长的快速抑制。

在前期发现HY5-miR775-GALT9通路能够调控细胞壁果胶水平的基础上，本研究利用延时摄影技术记录了见光前后两小时内拟南芥下胚轴长度的变化，绘制了下胚轴由暗转光过程中的生长动力学曲线并计算了生长速率。野生型下胚轴生长速率在见光后显著下降，而果胶水平低的株系（hy5，MIR775-OX，galt9），见光后仍保持高速生长；反之，果胶含量高的株系（HY5-OX，mir775，GALT9-OX）在黑暗中时则一直以较低的生长速率生长（图1）。

图1. 不同基因型拟南芥黄化幼苗在见光前后的生长曲线

利用细胞壁多糖抗体和相干拉曼显微等方法，发现在见光后极短时间内，下胚轴细胞壁纤维素和半纤维素含量没有显著变化，但果胶水平显著上升，并且原位标记结果显示果胶信号在横向细胞壁显著增强。进一步分析发现GALT9蛋白在见光后迅速积累在下胚轴横向细胞壁附近，并且在hy5中过表达GALT9后，果胶在黑暗中提前积累。原子力显微镜分析显示见光后果胶的极性分布显著增强了下胚轴横向细胞壁的机械强度（图2A-B）。综上，本研究揭示了HY5-miR775-GALT9通路介导的果胶极性积累与细胞壁刚性的快速不对称增加相关，从而降低了细胞在光照下的伸长（图2C）。本研究为控制下胚轴差异生长的细胞机制提供了新的见解，对深入解析化学物质基础、细胞壁力学特征和器官发育三者之间的协同关系具有重要意义。

图2. 果胶的不对称分布决定了细胞壁力学性质和细胞伸长

文章选用相干拉曼显微镜成像技术开展研究，原因在于其具备独特优势。该技术可对植物细胞壁果胶进行无标记检测，避免标记干扰样本原始状态，保证结果真实可靠，有助于精确研究果胶自然积累与分布。同时，它能利用特定拉曼位移，如854 cm⁻¹和1,100 cm⁻¹，分别对果胶和纤维素进行特异性原位映射与定位，实现化学特异性分析，助力研究人员探究细胞壁不同成分在光暗转换中的变化及与下胚轴生长调控的联系。此外，相干拉曼显微镜成像结果与化学分析、免疫组化等其他实验方法结果相互补充验证，像化学分析检测糖类含量、免疫组化展示果胶定位，多方法结合极大增强了研究结论的可信度与说服力。 

相干拉曼显微镜UltraView在野生型拟南芥下胚轴细胞进行无标记3D成像，在845 cm⁻¹处从细胞壁生成非破坏性和化学特异性信息识别果胶信号，细胞壁上检测到光照后果胶信号显着增强。S1：光照前果胶拉曼信号；S2：光照后果胶拉曼信号。

UltraView多模态非线性光学成像系统以其卓越的高空间分辨率，最高可达到350nm，高灵敏度、较自发拉曼高出一百万倍，快速成像速度，最高可达每秒10 FPS，以及多模态成像能力，包括相干拉曼散射成像和双光子荧光成像等，在生物医学研究、材料科学和化学分析等多个领域提供先进的光谱技术和高分辨率成像。该系统还具备自动化大范围多窗口光谱成像、自定义3D成像和大视野拼图的高级成像模式，以及可定制的光谱分辨率和超光谱成像范围，使其成为科研和分析中的强大工具。

李磊研究员为该论文通讯作者，北京大学现代农业研究院访问学者、北京大学现代农学院博士后张禾为本文第一作者，北京大学现代农学院博士后肖亮、北京大学生命科学学院覃思颖博士、北京大学现代农学院博士后万苗苗、北京大学生命科学学院已毕业沈凤博士、北京大学生命科学学院博士研究生赵佳禾等对该论文亦有重要贡献。
振电（苏州）医疗科技有限公司的伊首璞和卢习在相干拉曼成像和数据分析方面提供了技术支持，北京大学国家蛋白质科学中心在原子力显微镜分析方面提供了帮助。该研究得到了国家自然科学基金和泰山学者项目的支持。

资料来源：

https://mp.weixin.qq.com/s/kyAzM0rNqEmM1Qkdh2G9zQ

https://www.cell.com/current-biology/fulltext/S0960-9822(24)01694-4