植物通过感知重力方向，向下伸展根系、向上展开叶片来正确地生长（即向重力性）。具有向重力性的植物器官里含有淀粉体（淀粉）颗粒并具有高比重的细胞内小器官。100多年就已经有科学家提出了重力是通过这些淀粉粒的下沉来被感知的“淀粉平衡石假说”。然而，人们并不知道淀粉体的沉降这一物理现象是如何在细胞内转化和传递成其他信号的。
图A：在垂直平台共聚焦显微镜上将测试样本旋转135°并改变重力方向的示意图。
图B：刚旋转后（0min）和15分钟后（15min）LZY蛋白（白色）的亚细胞定位。显示出随着淀粉体的移动，LZY蛋白在细胞膜上的定位向重力方向变化的状态。图C：显示出随重力方向变化而变化的淀粉体的移动与LZY蛋白细胞膜定位之间的关系（供图：基础生物学研究所 植物环境反应研究部）
由日本的国立基础生物学研究所的西村岳志助教、四方明格助教、森祥伍技术员、森田（寺尾）美代教授组成的研究团队，与埼玉大学的丰田正嗣教授、前研究生阿部纯明、研究生萩原拓真、大阪大学的吉川洋史教授和熊本大学的桧垣匠教授等人合作，阐明了植物根系感知重力方向的机制。研究发现，淀粉体中的LAZY1-LIKE（LZY）蛋白通过向细胞膜移动来感知重力方向，而移动到细胞膜上的LZY蛋白会增加生长素的浓度梯度，进而引起向重力性。研究成果已发表在《Science》上。
森田教授等人利用独立研发的垂直平台共聚焦显微镜，在保持植物正常生长的重力方向的同时观察细胞，并通过旋转观察平台观察细胞对重力方向变化的反应。研究人员发现，LZY蛋白在重力敏感细胞的信号传递过程中发挥作用，LZY蛋白偏向于重力方向侧的细胞膜定位，其在细胞膜上的定位位点也随着重力方向的变化发生变化。此外还发现了作为与LZY蛋白相互作用的因子，参与生长素的运输控制的RLD蛋白，并揭示了LZY和RLD能够促进生长素在重力方向上的运输。
森田教授表示：“这台显微镜原本是不能倾斜使用的，但20多年前实验室的一位教授将它转让给了我，在奥林巴斯和一家小工厂的帮助下，对它进行了反复改良后，现在可以进行各种角度的观测”。
使用这套显微镜系统，研究团队在根的重力敏感细胞——小柱细胞中观察到了荧光蛋白质标记的LZY蛋白亚细胞定位，除了细胞膜之外，LZY蛋白还定位于淀粉体中。通过对LZY蛋白的氨基酸序列进行替换和部分缺失，研究了这些突变型LZY蛋白的亚细胞定位和活性，结果表明，LZY蛋白通过富含带正电荷的氨基酸的区域，并通过与组成细胞膜的带负电荷的磷脂之间的静电相互作用而定位于细胞膜。
此外研究还发现，可能受到了由蛋白酶体依赖性降解而产生的量化控制，而且LZY蛋白的N末端部分对于定位到淀粉体非常重要。
在保持重力方向的情况下进行观察时，仅在淀粉体附近观察到了细胞膜上的LZY蛋白。而当通过旋转平台改变重力方向时，淀粉体就会让小柱细胞沿着新的重力方向下沉。在此过程中，原重力方向上的细胞膜上的LZY蛋白迅速消失，而新的淀粉质附近的细胞膜（重力方向上的细胞膜）上的LZY蛋白则迅速积累。
在淀粉质沉积后，立即观察到对重力方向变化的发生响应的LZY蛋白定位变化，这表明了生长素运输调节因子RLD调用到了新的重力方向上。同时进一步发现，这些变化发生在根中的生长素浓度梯度形成和弯曲之前，而且细胞膜上的LZY蛋白定位变化是与生长素运输控制直接相关的重力信号的重要组成部分。
接下来，研究团队还调查了 LZY蛋白如何移动到新重力侧的细胞膜上。在 LZY蛋白中加入了光转换荧光蛋白，并在小柱细胞中进行了观察。当使用配备显微镜的光刺激器将紫外线只照射到在淀粉体定位的LZY蛋白上时，发现标记的 LZY蛋白迅速从淀粉体迁移到邻近的细胞膜上。
此外还发现，在淀粉体不沉降且随机存在的突变体中，LZY蛋白在细胞膜上的定位变得不偏不倚。当使用光学镊子使淀粉体靠近细胞膜时，无论重力方向如何，都能观察到LZY蛋白在邻近细胞膜上快速积累的情形。
这些结果表明，LZY蛋白通过从淀粉体移动到附近的细胞膜上，作为了一种将淀粉体的位置信息（即重力方向）向细胞膜移动的信息分子而发挥了作用，这就是重力感应机制的实质。
森田教授说：“众所周知，在水稻中，受重力影响的叶子和根的伸长角度与产量息息相关。此次揭示的机制也可能在这些农作物上发挥作用，从而将来可能会对农作物的改良有所帮助”。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
杂志：Science
论文：Cell polarity linked to gravity sensing is generated by LZY translocation from statoliths to the plasma membrane
DOI：doi.org/10.1126/science.adh9978
