生命科學學院植物細胞生物學研究團隊科研成果在TOP期刊發表

近日，生命科學學院植物細胞生物學研究團隊在國際著名學術期刊Journal of Integrative Plant Biology（JIPB，全球植物科學TOP 期刊3.1%，中國科學院期刊分區為生物學一區和植物學一區，5年SCI IF 10.8）上在線發表了題為“Polar-localized EXO70G1 regulates root development in Arabidopsis thaliana”的高水平研究論文。該研究發現擬南芥EXO70G1是EXO70基因家族中唯一一個呈現頂基膜極性定位的蛋白，在主根的生長中發揮正向調控作用。

細胞極性是指細胞結構、功能及組分在空間上的不對稱分布，是生命生長發育的細胞學基礎。蛋白質在質膜的不對稱分布是細胞極性的關鍵體現。在植物中，細胞壁的存在賦予根細胞質膜四個功能域，分別為頂膜（向莖）、基膜（向根）、內側和外側膜（內部或外部）。細胞質膜功能域的分化對根的生長和發育具有重要的意義。譬如擬南芥中生長素外排載體PIN蛋白表現出明顯的頂-基極性定位，這種極性的形成依賴于細胞內極性囊泡運輸過程。雖然已有研究發現多個蛋白參與調控PIN內膜運輸的不同環節，但調控其極性轉運的上游調控因子尚未揭示。

李師鵬教授團隊長期致力于囊泡運輸拴系蛋白EXO70在植物細胞中的功能研究。課題組早期研究發現EXO70基因家族在模式植物擬南芥中出現大量擴增，進化分析表明它們分別演化為三個亞家族（EXO70.1-3），這些基因在器官、組織甚至細胞水平的表達具有明顯的時空特異性（Plant Physiology, 2010）。EXO70.1和EXO70.2成員的功能已有研究報道，譬如課題組前期研究發現EXO70A1（EXO70.1成員）參與管狀分子發育及纖維素合酶的運輸（Plant Cell, 2013；Scientific Reports, 2024）。但是，EXO70.3亞家族基因的功能仍不明確。本研究工作揭示，EXO70G1（EXO70.3成員）極性募集于根細胞頂-基膜，高分辨顯微鏡觀察到其在膜上呈斑狀聚集（圖1）。FRAP分析顯示膜定位的EXO70G1處于持續的循環狀態，表明其膜定位受到動態調控。共定位分析及3D重構顯示，EXO70G1與PIN2在質膜上共表達，并在熱點位置存在共定位關系。遺傳學研究發現擬南芥中EXO70G1 及其同源基因EXO70G2的突變會導致主根變短，生長素累積降低，生長素輸出蛋白PIN2在質膜的豐度及其循環效率降低。當使用水楊酸處理模擬脂筏干擾時，EXO70G1在質膜的積累量減少。以上結果說明EXO70G1依賴于脂筏提供位置信號，間接影響PIN2的質膜富集，從而參與調控擬南芥主根的發育（圖2）。

圖1 EXO70G1極性定位于質膜

本研究不僅首次發現極性定位蛋白EXO70G1是主根伸長的正向調控因子，還揭示了其依賴質膜納米結構域（nanodomain）促進PIN2向膜運輸的新機制。本研究結果將深化研究者對蛋白極性定位分子機制的理解，豐富對細胞極性建立機制的認知，為定向作物育種提供理論基礎。

圖2 EXO70G1促進PIN2上膜運輸效率的分子機制

該成果于2025年10月15日在線發表于國際著名學術期刊Journal of Integrative Plant Biology。李娟副教授為本論文的第一作者兼通訊作者，李師鵬教授為論文通訊作者，齊魯師范學院為唯一第一作者和唯一通訊作者單位。該項研究得到了國家自然科學基金（31571467）和山東省自然科學基金（ZR2021MC141）項目的共同資助。

文章鏈接：https://doi.org/10.1111/jipb.70053

供圖：李 娟

供稿審核：崔大勇