- 题目：CGM 第142期: 植物学中的新型研究手段 - 光遗传学工具
- 时间：欧洲中部时间 2021年3月10日（星期三）8PM（北京时间 3月11日 3AM，美国中部时间 3月10日 12PM）
- 地点：Zoom and YouTube live stream
- 主讲人：丁美琪（Meiqi Ding），德国维尔茨堡大学植物学专业博士生。2010-2014年就读于吉林大学生物技术专业并获得理学学士学位; 2014-2017年就读于吉林大学植物学专业并获得理学硕士学位; 现于德国维尔茨堡大学Georg Nagel教授课题组攻读博士学位，从事光遗传学工具开发工作，包括植物光遗传学工具的改造与应用。其中部分工作及光遗传学工具控制花粉管以及植株生长方面的工作已于今年发表于Nature plants。2019年受郑州大学邀请作为海外邀请教师参与光遗传学课程教学（百门专业课程聘海外教师讲授项目）。
中文摘要
光遗传学（Optogenetics）是利用光照控制细胞生理活动并进行研究的技术。通过光控精准地控制特定细胞在空间与时间上的活动。其时间上精准程度可达到毫秒，而空间上则能达到从完整植株到微米级别（小于单个细胞）的控制。2010年光遗传学被Nature Methods评选为年度方法，同年被Science认为是近十年来的重大突破之一。
光控蛋白主要包括光控离子通道，离子泵以及酶。目前在光遗传学技术中应用最多的光受体工具为光控阳离子通道Channelrhodopsin-2。Channelrhodopsin-2是一种视紫红质蛋白于1995 年首次被Georg Nagel和Ernst Bamberg证明。之后Georg Nagel和Peter Hegemann一起在2002年和2003年于Science 和PNAS发表了两种光敏通道蛋白Channelrhodopsin-1和Channelrhodopsin-2。之后Georg Nagel教授与多方科研工作者合作推动了光遗传学在动物细胞的研究。
在动物细胞研究中，光遗传学现已成为一项成熟技术并应用于众多领域。而与动物细胞相对应，植物细胞也存在电信号传导和动作电位等电生理行为。近两年已经陆续有植物光遗传学的报导。2019年Science发表了一个光控钾离子通道能够促进植物生长。2020年，Matias Zurbriggen课题组在植物系统中构建了一个光控表达系统。然而，基于光控视紫红质（rhodopsin）通道蛋白的光遗传学技术仍无法大规模应用于植物细胞中。其受到限制的因素主要有三个：
1）植物生长需要的光照与离子通道激活所需光存在冲突； 2）视紫红质蛋白在植物中的膜定位表达； 3）植物中缺少维持视紫红质蛋白活性的视黄醛（all trans retinal）。
我们的课题主要围绕以上三个问题进行探索。首先关于光照问题我们利用了特殊波长的LED光照技术保证了植物正常生长与繁殖的同时避免了光控蛋白被激活。当然一些诱导型的启动子也是一种有效选择。同时，我们也突破了第二个技术性难题，引入一个来自海洋细菌的酶并将其定位到叶绿体中，将类胡萝卜素转化为视黄醛，于此同时少量的类胡萝卜素的消耗并没有影响烟草植株的生长。最终我们通过对离子通道的N端与C端的改造提高了蛋白的表达量与细胞膜表达特异性。我们测试了300多个载体包含不同的rhodopsin，证实了此植物光遗传学工具的广适性。
通过不同的启动子可以将光遗传学工具特意表达到不同的模式细胞或完整植株中以便于不同的实验需求。将光控阴离子通道ACR1 特异性表达于花粉管中。 一定的光强会引起离子在细胞膜上的转运，通过电压钳技术可以监控电压变化与光电流监测。通过表达与调控ACR1 的活性状态实现了对花粉管的生长的控制。这一应用可以结合可用的光控阳离子通道成为有效解开花粉管生长与特定离子以及细胞膜极化与去极化的复杂关系。
目前我们已经获得了一批光控阳离子通道，光控阴离子通道以及光控离子泵。我们已经证实该光遗传学工具适用于大烟草，本氏烟，拟南芥等模式植物。也可以推向农作物等其他植物的科学研究。可利用研究方向广阔，利用光遗传学工具探讨各种模式细胞的运动与生长的分子机制，逆境胁迫，信号转导等各个方面。目前我们已经获得很好的成效。植物光遗传学工具将为植物学研究提供更多的可能。
参考文献
Nagel, G. et al. Channelrhodopsin-1: a light-gated proton channel in green algae. Science 296, 2395-2398 (2002).
Nagel, G. et al. Channelrhodopsin-2, a directly light-gated cation-selective membrane channel. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 100, 13940-13945 (2003).
Deisseroth, K. Optogenetics. Nature methods 8, 26-29 (2011).
Nagel, G. et al. Light activation of channelrhodopsin-2 in excitable cells of Caenorhabditis elegans triggers rapid behavioral responses. Current biology : CB 15, 2279-2284 (2005).
Govorunova, E.G., Sineshchekov, O.A., Janz, R., Liu, X. & Spudich, J.L. NEUROSCIENCE. Natural light-gated anion channels: A family of microbial rhodopsins for advanced optogenetics. Science 349, 647-650 (2015).
Zhou, Y. et al. Optogenetic control of plant growth by a microbial rhodopsin. Nature plants 7, 144-151 (2021).