植物透過感知重力方向，向下伸展根系、向上展開葉片來正確地成長（即向地性）。具有向地性的植物器官裏含有澱粉體（澱粉）顆粒並具有高比重的細胞内小器官。100多年就已經有科學家提出了重力是透過這些澱粉粒的下沉來被感知的「澱粉平衡石假說」。然而，人們並不知道澱粉體的沉降這一物理可用能現象是如何在細胞内轉化和傳遞成其他訊號的。
圖A：在垂直度平台共聚焦顯微鏡上將測試樣本旋轉135°並改變重力方向的示意圖。
圖B：剛旋轉後（0min）和15分鐘後（15min）LZY蛋白（白色）的亞細胞定位。顯示出隨着澱粉體的行程，LZY蛋白在細胞膜上的定位向重力方向變化的狀態。圖C：顯示出隨重力方向變化而變化的澱粉體的行程與LZY蛋白血球膜定位之間的關係（供圖：基礎生物學研究所 植物環境反應研究部）
由日本的國立基礎生物學研究所的西村嶽志助教、四方明格助教、森祥伍技術員、森田（寺尾）美代教授組成的研究團隊，與埼玉大學的豐田正嗣教授、前研究生阿部純明、研究生萩原拓真、大阪大學的吉川洋史教授和熊本大學的檜垣匠教授等人合作，闡明瞭植物根系感知重力方向的機制。研究發現，澱粉體中的LAZY1-LIKE（LZY）蛋白透過向細胞膜行程來感知重力方向，而行程到細胞膜上的LZY蛋白會增加生長素的濃度梯度，進而引起向地性。研究成果已發表在《Science》上。
森田教授等人利用獨立研發的垂直度平台共聚焦顯微鏡，在保持植物正常成長的重力方向的同時觀察細胞，並透過旋轉觀察平台觀察細胞對重力方向變化的反應。研究人員發現，LZY蛋白在重力敏感細胞的訊號傳遞程序中發揮作用，LZY蛋白偏向於重力方向側的細胞膜定位，其在細胞膜上的定位位點也隨着重力方向的變化發生變化。此外還發現了作爲與LZY蛋白相輔作用的因子，參與生長素的運輸控制的RLD蛋白，並揭示了LZY和RLD能夠促進生長素在重力方向上的運輸。
森田教授表示：「這臺顯微鏡原本是不能傾斜使用的，但20多年前實驗室的一位教授將它轉讓給了我，在奧林巴斯和一家小工廠的幫助下，對它進行了反復改良後，現在可以進行各種角度的觀測」。
使用這套顯微鏡系統，研究團隊在根的重力敏感細胞——小柱細胞中觀察到了螢光蛋白質標記的LZY蛋白亞細胞定位，除了細胞膜之外，LZY蛋白還定位於澱粉體中。透過對LZY蛋白的胺基酸序列進行更換和部分缺失，研究了這些突變型LZY蛋白的亞細胞定位和活性，結果表明，LZY蛋白透過富含帶正電荷的氨基酸的區域，並透過與組成細胞膜的帶負電荷的磷脂之間的靜電相輔作用而定位於細胞膜。
此外研究還發現，可能受到了由蛋白酶體依賴性降解而產生的量化控制，而且LZY蛋白的N末端部分對於定位到澱粉體非常重要。
在保持重力方向的情況下進行觀察時，僅在澱粉體附近觀察到了細胞膜上的LZY蛋白。而當透過旋轉平台改變重力方向時，澱粉體就會讓小柱細胞沿着新的重力方向下沉。在此程序中，原重力方向上的細胞膜上的LZY蛋白迅速消失，而新的澱粉質附近的細胞膜（重力方向上的細胞膜）上的LZY蛋白則迅速積累。
在澱粉質沉積物後，立即觀察到對重力方向變化的發生響應的LZY蛋白定位變化，這表明了生長素運輸調節因子RLD呼叫到了新的重力方向上。同時進一步發現，這些變化發生在根中的生長素濃度梯度形成和彎曲之前，而且細胞膜上的LZY蛋白定位變化是與生長素運輸控制直接相關的重力訊號的重要組成部分。
接下來，研究團隊還調查了 LZY蛋白如何行程到新重力側的細胞膜上。在 LZY蛋白中加入了光轉換螢光蛋白，並在小柱細胞中進行了觀察。當使用配備顯微鏡的光刺激器將紫外線只照射到在澱粉體定位的LZY蛋白上時，發現標記的 LZY蛋白迅速從澱粉體移動到鄰近的細胞膜上。
此外還發現，在澱粉體不沉降且隨機存在的突變體中，LZY蛋白在細胞膜上的定位變得不偏不倚。當使用光學鑷子使澱粉體靠近細胞膜時，無論重力方向如何，都能觀察到LZY蛋白在鄰近細胞膜上快速積累的情形。
這些結果表明，LZY蛋白透過從澱粉體行程到附近的細胞膜上，作爲了一種將澱粉體的位置資訊（即重力方向）向細胞膜行程的資訊分子而發揮了作用，這就是重力感應機制的實質。
森田教授說：「衆所周知，在水稻中，受重力影響的葉子和根的延伸角度與產量息息相關。此次揭示的機制也可能在這些農作物上發揮作用，從而將來可能會對農作物的改良有所幫助」。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
雜誌：Science
論文：Cell polarity linked to gravity sensing is generated by LZY translocation from statoliths to the plasma membrane
DOI：doi.org/10.1126/science.adh9978
