责编 | 王一
水通道蛋白（aquaporins） 作为一种功能性跨膜通道蛋白，能依赖水势高效介导水分跨膜转运，在快速维持细胞渗透平衡中发挥重要作用。水通道蛋白活性的调控是质膜通透性调节的一种主要方式，其调控机理的研究，已成为当前植物科学领域中的研究热点之一。前人研究发现，水通道蛋白可以允许水分子双向跨膜转运，然而在水分子通过水通道蛋白进入细胞和运出细胞的过程中，水通道蛋白的动力学特征及其调控机制尚不明确。在植物气孔运动过程中，保卫细胞和表皮细胞水势不同，水分跨膜运输的方向相反，成为研究运入/运出水分子中水通道蛋白动态特征的理想模型。
近日，北京林业大学林木分子设计育种高精尖创新中心和生物学院李晓娟教授团队在植物学知名期刊Plant Physiology上发表了题为In vivo single-particle tracking of the aquaporin AtPIP2;1 in stomata reveals cell type-specific dynamics的研究论文。该论文通过单分子技术结合细胞生物学等实验手段，探究了植物免疫应答早期保卫细胞和表皮细胞质膜上水通道蛋白的动力学特征以及在不同类型细胞中动力学调控机制。
气孔运动受生物因素 (如病原菌入侵) 和非生物因素 (如光照和干旱) 的调节，在调控植物生长发育和响应外界环境胁迫的过程中发挥重要作用。已有研究表明，用鞭毛蛋白flg22模拟病原菌入侵可以诱导气孔关闭。该研究利用野生型拟南芥、GFP-AtPIP2;1和pip2;1突变体为材料，对施加flg22处理前后的气孔开度进行检测，发现pip2;1突变体中气孔关闭程度较小。非损伤微测技术和膜电位探针DiBA4 (3) 的研究进一步证实，气孔关闭过程中，水通道蛋白AtPIP2;1在保卫细胞与表皮细胞 （副卫细胞） 之间水分的运输中发挥着重要的作用。然而，RT-qPCR和Western Blot的结果显示，AtPIP2;1在转录水平上和翻译水平上均没有显著变化。同时，共聚焦显微镜观察发现GFP-AtPIP2;1的亚细胞定位发生了变化。由此可见，在flg22侵染拟南芥早期阶段，细胞通过AtPIP2;1的亚细胞定位的变化调控水分运输，进而实现气孔关闭。
该研究利用单颗粒示踪 (single particle tracking, SPT) 技术发现，气孔关闭过程中，保卫细胞和表皮细胞质膜上AtPIP2;1动态特征和停留时间不相同，其变化具有细胞类型特异性。进一步探究AtPIP2;1动态的调控机制，发现微管骨架在调控AtPIP2;1的动态中发挥重要作用，且在保卫细胞和表皮细胞内微管骨架对AtPIP2;1动态的影响不完全相同。细胞壁在正常条件下调控保卫细胞AtPIP2;1的侧向运动速度，而气孔关闭过程中，细胞壁对表皮细胞中AtPIP2;1动态的调控相比对保卫细胞AtPIP2;1动态的调控更显著。
综上所述，该研究首次在同一活体材料内，通过单分子水平的实时追踪，探究了水分跨质膜双向运输过程中水通道蛋白的动态特征，揭示了保卫细胞和表皮细胞两种类型细胞中质膜水通道蛋白的动态和其调控机制的异质性。
该论文被美国植物生物学家学会 (American Society of Plant Biologists) 选为当周亮点文章进行了推荐 (https://plantae.org/in-vivo-single-particle-tracking-of-the-aquaporin-atpip21-in-stomata-reveals-cell-type-specific-dynamics-plant-physiol/) 。
北京林业大学高精尖中心青年研究员和生物学院青年教师崔亚宁为论文的第一作者，北京林业大学林木分子设计育种高精尖创新中心研究员和生物学院教授李晓娟为论文的通讯作者。该论文得到了国家自然科学基金和北京林业大学校内杰青等项目的资助。
论文链接：
https://doi.org/10.1093/plphys/kiab007
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