植物用它们的根来测量土壤中可用的锰浓度

每个生物体都需要锰元素作为必需营养素。例如，在植物中，它在光合作用过程中将水分解成氧气和氢气发挥着重要作用。由德国和中国的研究人员组成的团队率先使用模型物种拟南芥 (Arabidopsis thaliana) 证明植物如何感知缺锰，以及随后在分子水平上在植物中发生哪些过程。研究人员表明，植物根部中迄今为止未被发现的一组细胞起着决定性作用。研究人员希望，他们的工作成果将在未来产生使植物更能抵抗缺锰的方法——这种情况经常发生在碱性和钙质土壤中。

明斯特大学(德国)植物生物学和生物技术研究所的 Jörg Kudla 教授是该研究的主要作者之一，正如他所说，“有很多研究关注哪些蛋白质参与细胞内锰的吸收和运输。但如何在生物体水平上调节锰平衡是完全未知的。” 由于钙作为信使物质参与植物的许多其他调节过程，研究人员问自己它是否也在调节锰平衡中发挥作用。

锰缺乏会触发振荡的钙信号

该团队在植物根部发现了一个特殊的细胞群，并将其命名为“锰敏感生态位”。与所有其他根细胞不同，这些细胞在缺锰时会表现出特殊的反应：只要缺锰持续，细胞内的钙浓度就会连续数次上升和下降。每次振荡持续约 30 分钟。“以前没有人观察到钙浓度的这种多细胞振荡，这是通过植物单个细胞中钙信号的协调发生而建立的，”库德拉说。只有几百个细胞共同建立了信号。表皮细胞——最外根层的细胞——是第一个开始增加钙浓度的细胞。

现在发现了第三个特定于刺激的“敏感利基”

在早期的工作中，由 Jörg Kudla 领导的研究人员已经在根部的其他区域发现了另外两个“敏感生态位”——一个对钾敏感的生态位和一个对钠敏感的生态位。在这里，根也通过在特定细胞群中产生多细胞钙信号来响应环境中离子浓度的变化。然而，研究人员没有观察到任何振荡——这与对锰敏感的生态位不同。

在他们目前的研究中，研究人员发现缺锰引发的钙振荡会激活两种特殊的酶——所谓的钙依赖性蛋白激酶(CPK21 和 CPK23)——而这两种酶本身会刺激锰的吸收. “随着激酶从钙中释放出来，这些又变得不活跃。我们的假设是，每一次振荡都会重新开始这一过程——直到植物充分吸收锰，”库德拉说。负责将锰转运到根部细胞中的锰转运蛋白 NRAMP1 是该过程的一部分。蛋白激酶 CPK21 和 CPK23 与该转运蛋白相互作用并通过磷酸化一种特定氨基酸 (Thr498) 来调节锰的摄取。

为了证明钙信号的发生，研究人员首次使用了高分辨率显微镜和超灵敏的分子钙生物传感器。生物传感器通常可视化细胞和组织中钙等生物活性物质浓度的变化。该团队将这些涉及“体内生物传感器技术”的研究与遗传、细胞生物学和生化方法相结合，以阐明潜在的分子机制。除了明斯特的研究人员，来自陕西西北农林科技大学生命科学学院和北京(中国)中国农业科学院生物技术研究所以及马丁路德大学哈勒维滕贝格(德国)的科学家也参与其中。

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