捕蠅草如何捕捉獵物

A昆蟲(chóng)被誘人的氣味所吸引，落在捕蠅草張開(kāi)的葉子上。它四處張望，不小心擦到了陷阱的一根扳機(jī)毛。動(dòng)作電位穿過(guò)葉片。昆蟲(chóng)繼續(xù)移動(dòng)并彎曲另一根扳機(jī)毛，傳播第二個(gè)動(dòng)作電位;突然，葉子突然閉合，將昆蟲(chóng)困住，將其包裹在消化液中，并吸收昆蟲(chóng)豐富的營(yíng)養(yǎng)。

人們已經(jīng)假設(shè)了這兩次輕觸如何觸發(fā)葉子突然關(guān)閉，但從未得到證實(shí)?，F(xiàn)在，在《當(dāng)代生物學(xué)》上發(fā)表的一項(xiàng)新研究中，一組研究人員敲除了兩個(gè)離子通道，使其更難產(chǎn)生動(dòng)作電位，并證明了這些通道在葉片閉合中的重要性。1

“這篇論文是一項(xiàng)非常大的技術(shù)進(jìn)步，”維爾茨堡大學(xué)的植物生物物理學(xué)家雷納·赫德里奇(RainerHedrich)說(shuō)，他沒(méi)有參與這項(xiàng)研究。“敲除可興奮植物中的基因并測(cè)試假設(shè)是可能的。”

幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)，食肉植物及其快速運(yùn)動(dòng)一直讓科學(xué)家們著迷。1870年代，達(dá)爾文和他的同事討論了電流如何在葉子閉合中發(fā)揮作用。2,3,4最近，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)觸發(fā)毛中表達(dá)的機(jī)械敏感離子通道FLYCATCHER1(FLYC1)和FLYCATCHER2(FLYC2)可能與觸摸敏感度相關(guān)。5盡管捕蠅草的基因組已測(cè)序，但尚未對(duì)離子通道基因進(jìn)行靶向突變來(lái)最終證明它們?cè)谌~子閉合中的作用。

因此，索爾克研究所的植物生物學(xué)家CarlProcko和JoanneChory決定使用CRISPR-Cas9突變FLYC1和FLYC2，以研究它們的功能?？茖W(xué)家們假設(shè)昆蟲(chóng)的觸摸會(huì)導(dǎo)致扳機(jī)毛的感覺(jué)細(xì)胞膜變形，從而導(dǎo)致這些離子通道的打開(kāi)以及膜的去極化和電信號(hào)傳導(dǎo)。

Procko在組織培養(yǎng)物中培養(yǎng)捕蠅草植物，然后將覆蓋有含有CRISPR-Cas9系統(tǒng)組件的質(zhì)粒DNA的金顆粒射入細(xì)胞中。在質(zhì)粒中，研究人員還添加了一個(gè)熒光蛋白基因，用于識(shí)別攜帶質(zhì)粒的組織。該團(tuán)隊(duì)繁殖了轉(zhuǎn)基因細(xì)胞并最終培育出了新植物。該植物呈花葉狀;它在一些葉臂中攜帶質(zhì)粒DNA，而另一些葉臂則為野生型。

普羅科選擇了完全轉(zhuǎn)基因(和熒光)的小葉，并在組織培養(yǎng)中將它們克隆分離。為了確定葉子是單突變體還是雙突變體，Procko使用基于PCR的桑格測(cè)序和基因分型。他為一些實(shí)驗(yàn)選擇了單突變體，為另一些實(shí)驗(yàn)選擇了雙突變體。然后他將這些植物種植在土壤中，并繼續(xù)在溫室中種植。

接下來(lái)，他通過(guò)安裝在顯微操縱器上的細(xì)火拋光玻璃棒的觸摸來(lái)觸發(fā)雙突變植物;它們關(guān)閉的頻率和速度與野生型植物一樣。“你會(huì)得到一株看起來(lái)很正常的植物，”普羅科說(shuō)。“你坐在那里，有點(diǎn)撓頭。”普羅科認(rèn)為缺陷可能比使用相對(duì)較大的移液器接觸所能檢測(cè)到的缺陷要小，并決定尋找另一種更精細(xì)的定量測(cè)定方法。

他與同樣在索爾克研究所從事超聲波研究的分子神經(jīng)生物學(xué)家SreekanthChalasani合作。當(dāng)研究小組使用超聲波刺激扳機(jī)毛，用一種新的、更靈敏的方法測(cè)試植物時(shí)，F(xiàn)LYC1-FLYC2雙突變體顯示出一個(gè)顯著的缺陷：突變植物比野生型植物需要更大的超聲波壓力來(lái)誘導(dǎo)陷阱關(guān)閉。研究小組指出，用超聲波刺激的單個(gè)FLYC1突變體與野生型植物一樣封閉。普羅科認(rèn)為，玻璃棒的強(qiáng)力機(jī)械刺激可能非常大，以至于它可以通過(guò)觸發(fā)毛發(fā)中不同的機(jī)械敏感離子通道起作用。

“現(xiàn)在下一步是開(kāi)始研究扳機(jī)毛內(nèi)的其他機(jī)械敏感通道，”普羅科說(shuō)。“我們可以開(kāi)始改變其中一些通道??，并將它們放入各種組合中，以準(zhǔn)確了解哪些機(jī)械敏感通道是最重要的，或者是否需要將它們?nèi)拷M合在一起才能獲得扳機(jī)毛的非常精致的觸覺(jué)靈敏度。”Hedrich的團(tuán)隊(duì)目前正致力于敲除鈣通道基因高滲門(mén)控鈣滲透通道(OSCA)。

普羅科承認(rèn)，他并不確切知道超聲波檢測(cè)與觸摸有何關(guān)系，這限制了這項(xiàng)研究。“這是一種機(jī)械刺激。我們喜歡認(rèn)為它與觸摸有關(guān)，但它也可能是將刺激直接施加到感覺(jué)膜上并改變膜。所以，這仍然是一個(gè)問(wèn)號(hào)，”普羅科說(shuō)。

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