细胞质钙离子作为快速调节根生长的通用信号（2025年10月，陆生植物、生长素诱导、持续发育反应、遗传筛选、钙离子浓度）

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根系必须不断适应其生长，并进化出了能够迅速响应各种环境和激素信号的能力，包括植物激素生长素。生长素诱导的细胞反应包括膜去极化、细胞质钙离子（Ca2?）浓度升高以及细胞外 pH 值上升，但这些过程如何导致快速生长调节仍不清楚。在此，我们表明细胞质 Ca2? 是一种通用信号，能够整合各种信号以实现根系生长的快速调节。通过在拟南芥中使用活体成像、微流体技术和光遗传学，我们证明细胞质 Ca2? 的迅速升高是生长素信号影响生长抑制的主要靶点。破坏 Ca2? 内流会消除这些反应，而由光门控的来自细胞壁外液或内质网储存的 Ca2? 内流则会抑制生长。多种不相关的刺激——包括生长素、细胞外 ATP、RALF 肽和过氧化氢——都汇聚于这种依赖 Ca2? 的机制。因此，细胞质 Ca2? 浓度升高是快速生长抑制的必要且充分步骤，揭示了根系信号传导的一个统一原则。

陆生植物的根系面临着在极其复杂的土壤环境中穿行的艰巨任务，这种环境充满了各种障碍和湿度、养分含量各异的区域，还有食草动物、病原体和共生体。此外，根系还能通过内源性信号感知地上部分组织的状态。能够在极短的时间内高效地感知、整合并响应所有这些信号，这代表着一种强大的进化优势。事实上，过去几十年的大量研究表明，根系的生长会受到数十种甚至数百种不同信号的影响；其中一些信号，比如植物激素生长素，能在几秒钟内引发细胞反应。

尽管在过去几十年中，持续的发育反应一直是各种遗传筛选的目标，而且相应的转录重编程信号机制也已阐明，但快速反应仍充满神秘色彩。只有最近在活体成像、根部微流体技术以及植物细胞过程的光遗传学操控方面取得的进展，才使得这些快速反应能够接受实验研究。

生长素是根系发育的主要调节因子，在决定根系结构和向地性方面有着明确的作用。它介导了依赖核内生长素信号传导的转录重编程反应，以及至少部分依赖细胞表面和细胞质信号转导机制的非常迅速的反应。根生长受到抑制时，细胞质中 Ca2?浓度迅速升高，质膜（PM）去极化，细胞壁外空间碱化以及细胞壁外空间活性氧（ROS）生成。虽然细胞壁外空间活性氧似乎并不直接参与生长调节，但细胞壁外空间碱化却高度相关，因为它已被提议作为重要的信号整合器。根据经典的酸性生长理论，细胞壁外空间碱化等同于质子动力势的下降，而质子动力势驱动着 H?耦合溶质运输，从而导致膨压下降。此外，在更碱性的 pH 值条件下，细胞壁松弛酶活性降低，导致细胞壁硬化；这两个过程都抑制了生长。此外，生长素触发的细胞质钙离子信号传导对于快速生长抑制是必需的，因为细胞核苷酸门控通道 14（CNGC14）钙离子通道的突变以及仅含犰狳重复序列 ARO）的 CNGC 调节因子的突变，均表现出这一过程中的缺陷。

除了生长素之外，还有一些激素和非激素信号与快速生长调节有关，还有更多信号与细胞质中钙离子浓度的升高有关。例如，参与细胞壁完整性监测的快速碱化因子（RALF）分泌肽会导致生长迅速停止。另一方面，作为损伤相关分子模式的细胞外谷氨酸和 ATP（eATP）会引发细胞质中钙离子浓度的升高。其他例子包括过氧化氢（H?O?）、机械压力和冷胁迫；所有这些都已被证明会提高细胞质中钙离子的浓度。因此，许多信号可以通过各种 CNGC 或其他类型的钙离子通道来调节细胞质中钙离子的水平。然而，这些钙离子的激活是否与生长调节相关（类似于生长素），以及其潜在机制是什么，目前仍不清楚。

在此，我们表明细胞质中钙离子（Ca2?）浓度的升高是生长素信号传导的主要靶点，也是快速抑制根生长的必要且充分步骤。因此，多种信号，无论是内源性的还是外源性的，都汇聚于细胞质中钙离子（Ca2?）的调节，作为快速生长调节的通用机制。

图 1. 生长素诱导的细胞质 Ca2+ 和质外体 pH 值快速变化动态。（A）拟南芥根的分区，箭头表示两个时间点之间的生长转变。（B）伸长区的酸性表现为低强度的 HPTS470nm 荧光环（pH 值，青色），过渡区在处理前有强烈的（碱性）荧光环。IAA 处理 30 秒后：可见 R-GECO 信号（Ca2+，5紫红色）的全局上升和过渡区 HPTS 信号（pH 值）的爆发；处理 1.5 分钟后：伸长区的 HPTS 信号趋于平稳。（C）伸长区的 HPTS 荧光环和 R-GECO 对 100 nM IAA 的快速（<1 秒，图 S1E）应用反应相似。（D）通过（D）中信号对的交叉相关分析确定的时间滞后（n=7，T 检验 p=0.51）（E）允许在恒定总流量下进行介质交换的双入口 RootChip 设计。（F）RootChip 中的 IAA 振荡持续 10 次诱导 R-GECO 和 HPTS 反应。（G）R-GECO 和 HPTS 信号导数与 AF647 跟踪染料信号的正导数（如果 AF647′>0 则为 AF647′，否则为 0）的交叉相关，隔离 IAA 注射同时排除冲洗阶段。曲线最大值出现的时间代表了 IAA 处理后的响应滞后时间。

图 2. 质膜极化、细胞外液 pH 值和细胞质内 Ca2+在根生长调节中的作用。（A）培养基中 20 mM 的 NH4+被 20 mM 的 K+替代导致去极化，通过刺入电极测量得出（n＞29，Wald 检验 p＜0.001，2 次重复合并）。（B）20 mM 的 NH4+到 K+的交换（红色箭头）不会导致根生长（黑色）的吸胀或 GCaMP 信号（Ca2+，绿色）的增加。（代表 35 次重复中的一个）。（C）每个点代表培养基 pH 值从 5.8 变化到更酸性或碱性 pH 值的一个周期。平均 GCaMP 信号的上升值被绘制出来。（详情见补充图 6。）（2 次实验合并）。（D）用不含 Ca2+的培养基冲洗根会导致 GCaMP 信号下降和生长加速，而补充 Ca2+则会导致生长抑制。（E）用于交换模拟液和两种储备液混合物的 RootChip 设计（用于 C），在（D）中使用了 4 个入口的 RootChip。（F）培养基碱化（蓝色向下）在含 Ca2+的培养基中抑制生长并伴随 GCaMP 信号上升（红色向上）。在不含 Ca2+、补充 1 mM BAPTA 的培养基中（红色向下），碱性培养基仍抑制生长但无 GCaMP 反应。（代表 2 次重复中的一个）

图 3. 多种刺激抑制生长的共同信号为胞质钙离子浓度升高。用 100 nM IAA（A-C）、100 μM eATP（D-F）、1 μM RALF 肽（G-I）和 200 μM H?O?（J-L）处理，均导致含钙培养基中的 GCaMP 信号增强（A、D、G、J），但在不含钙的 0.1 mM BAPTA 培养基中则无此现象（B、E、H、K）。所有处理均迅速抑制含钙培养基中的生长。然而，含 0.1 mM BAPTA 的无钙培养基可阻止或延缓这种生长抑制（C、F、I）（n＞20，合并 3 次重复）。aro2/3/4 突变体的生长对 IAA、eATP 和 RALF 不敏感（L）（n＞6，合并 2 次重复），而 H?O? 诱导的生长反应与对照相同（n＞18，合并 3 次重复）。

图 4. 光遗传学诱导的细胞质 Ca2+ 在细胞壁液 pH 值和生长调节中的作用（A）光门控阳离子通道 XXM-YFP 的示意图。（B）XXM-YFP 在质膜上的定位。（C）蓝光诱导的细胞质 Ca2+ 增加，由 R-GECO 报告（代表 2 次重复实验）。（D-F）蓝光诱导的细胞壁液碱化（D、E）和 XXM2.0 根系中快速且可逆的生长抑制（F），而非野生型根系（n＞7，代表 3 次重复实验）。（G-I）表达 ER 定向 XXM-mCherry 的 XXM-ER 系统（G）对蓝光的响应表现为细胞质 Ca2+ 增加（H）和快速且可逆的生长抑制（I）（n＞8，2 次重复实验）。

图 5. 多种刺激通过细胞质钙离子调节生长。多种刺激通过细胞外液通过 CNGC 型通道（IAA、eATP、RALF）流入细胞质或通过其他类型的钙离子运输（H?O?）使细胞质钙离子浓度上升。细胞质钙离子浓度的增加足以使细胞外液碱化，从而抑制生长。细胞质钙离子和细胞外液 pH 值通过反馈回路相互关联。另一方面，膜去极化处于下游，单独作用不足以抑制生长。（图标改编自 Servier Medical Art，CC BY 3.0）

参考文献：

Marek Randuch, Ivan Kulich, Dmitrii Vladimirtsev, Shouguang Huang, Rainer Hedrich, Ji?í Friml. BioRxiv 2025.10.17.683082;

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