植物无法像动物一样，在环境变得不利时主动离开。因此，它们必须不断权衡两种需求：是继续生长，还是优先应对环境胁迫？深圳理工大学黄寿光教授与Rainer Hedrich教授共同领导的研究团队发现，钙信号在协调植物生长与环境适应的过程中发挥着重要作用。钙离子（Ca2+）不仅是植物细胞内重要的信号分子，还能够改变细胞对后续信号的敏感性。通过暂时减弱根细胞对植物生长激素—生长素的响应，钙信号可以使根系生长放缓，为植物协调生长与环境适应提供了一种新的调控机制。相关研究成果以Ca2+signature gates responsiveness to exogenous auxin in Arabidopsis roots为题发表在Nature Communications上。
1. 当生长与胁迫使用同一种信号语言
对于不断向土壤深处延伸的根系而言，生长素是调控其生长发育的重要激素。根细胞感受到生长素后，最早发生的反应之一，就是细胞内钙离子浓度迅速升高。然而，钙信号并非生长素所独有。温度骤降、机械刺激或组织损伤等环境变化，同样能够引发细胞内钙离子浓度升高，帮助植物感知外界环境的变化。
这就引出了一个有趣的科学问题：如果生长与胁迫都通过钙信号传递信息，根细胞如何协调这些不同的信号？
答案或许不仅取决于信号本身，还与信号出现的先后顺序有关。例如，环境胁迫引发的钙信号，是否会改变根细胞随后对生长素的响应？为了回答这一问题，研究团队采用了光遗传学技术。早在2020年，Rainer Hedrich 教授团队便首次成功将基于ChR2(通道视紫红质)的光遗传学技术应用于植物研究，开创了利用光精准调控植物细胞离子信号的新途径，相关成果发表于 PNAS（Reyer et al., 2020）。利用这一技术，研究人员可以通过光照精确控制钙信号的产生，从而研究先前发生的钙信号如何影响细胞对后续刺激的响应。
2. 钙信号如何改变细胞对下一次刺激的响应？
研究团队利用光敏离子通道 ChR2-XXM2.0，在活体拟南芥根细胞中人为诱导钙信号，并观察其对后续生长素响应的影响。结果发现，经历过一次钙信号刺激的根细胞，在随后接触生长素时，反应明显减弱。 这说明，先前发生的钙信号能够改变细胞对后续生长素刺激的敏感性。更有意思的是，这种抑制作用并非永久性的。经过一段时间的恢复，根细胞又能够重新对生长素作出正常响应。
类似的现象也出现在自然刺激条件下。当研究人员利用低温或谷氨酸诱导钙信号时，根细胞随后对生长素的响应同样受到抑制。这表明，该现象并非光遗传学刺激特有的结果，而可能是植物应对环境变化的一种普遍调控方式。
研究还发现了一个更加有趣的现象：生长素本身也能够抑制细胞对下一次生长素刺激的响应。这是因为生长素本身就能诱导钙信号，而这一钙信号又会削弱细胞对后续生长素刺激的反应。这揭示了一种负反馈调控机制：钙信号不仅参与传递生长素信息，还能够反过来调节细胞对生长素的敏感性。
3. 钙信号让根系暂时放慢生长
如果钙信号能够暂时抑制细胞对生长素的响应，那么，当这种刺激持续存在时，是否也会影响整个根系的生长？该研究发现，持续诱导钙信号能够显著减缓根系生长。这一过程中，根细胞的分裂和伸长均受到抑制，导致根系生长速度明显下降。但这种生长抑制并非不可逆。一旦停止刺激，根系便能够逐渐恢复生长。研究团队进一步探索了这一调控过程背后的分子机制。实验结果表明，钙信号感受蛋白 CaM7 和离子通道 CNGC14 可能参与这一反馈调控过程，为理解钙信号如何影响生长素响应提供了重要线索。这些发现将细胞内的钙信号变化与整个根系的生长调控联系起来，揭示了植物协调生长与环境适应的一种潜在机制。
植物虽然无法逃离不利环境，却能够通过调整自身的生长状态来适应环境变化。 钙信号可能正是其中的重要调节因素：当植物感受到环境胁迫时，钙信号能够暂时降低根系对生长素的响应，使植物放慢生长，为应对不利环境创造条件。
4. 从“读取”钙信号到“写入”钙信号
长期以来，科学家主要通过观察植物细胞内钙离子浓度的变化，研究钙信号如何参与植物生长发育和环境响应。然而，观察到钙信号的变化，并不意味着真正理解了这些信号所传递的信息。
光遗传学的发展正在改变这一局面。在此前发表于 Current Biology（2024）的研究中 (Huang et al., 2024)，研究团队发现，植物叶片中的保卫细胞能够对钙信号进行“计数”，并根据钙信号出现的次数和频率，调节气孔关闭。此次研究则揭示了钙信号的另一个重要特征：一个钙信号不仅能够影响细胞当前的生理活动，还能够改变细胞对下一次信号的响应。这意味着，钙信号所携带的信息不仅取决于其强度和持续时间，还可能与此前经历过的信号有关。
传统研究主要依赖于“读取”植物自身产生的钙信号，而光遗传学使研究人员能够主动“写入”具有特定时间、频率和次数的钙信号，并直接观察其生理效应。这种从被动观察到主动操控的转变，为理解植物如何编码、传递和解读钙信号提供了新的研究手段，也为揭示植物如何整合环境信息、协调生长与胁迫适应开辟了新的方向。
逆境胁迫诱导的Ca2+信号，通过CaM7抑制根系对生长素的响应，从而减缓根生长，帮助植物在生长与逆境适应之间实现平衡。
宋慧芳博士和AngelBaudon博士为该论文的共同第一作者，黄寿光教授与RainerHedrich教授为共同通讯作者。该研究由深圳理工大学（SUAT）牵头，联合德国维尔茨堡大学、柏林洪堡大学，奥地利科学技术研究所，捷克科学院实验植物学研究所、帕拉茨基大学，以及澳大利亚阿德莱德大学等多家国际科研机构共同完成。本研究获得科技部国家重点研发计划“合成生物学”重点专项及国家自然科学基金等项目支持。
黄寿光课题组2027年博士生名额已开放，欢迎大家报考。简历投递邮箱：
shouguang.huang@suat-sz.edu.cn
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-026-78361-8
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