中大学者研究植物细胞液泡起源取得重大突破 为改良农作物和用植物反应器生产药用蛋白提供新思路

香港中文大学（中大）生命科学学院卓敏生命科学教授 姜 里 文 教授 带领由香港、日本和美国科学家组成的国际科研团队，最近在植物液泡起源方面取得重大突破。他们利用世界领先的 三维电子断层 扫描 技术 ，以纳米分辨率揭示了植物根细胞中 液泡起源 的奥秘。有关研究成果已刊载于著名学术期刊 《自然 — 植物》（ Nature Plants ）并被重点推荐 。 

液泡是植物细胞中最主要的细胞器，在调节植物生长和发育中起著重要作用。液泡具有多种功能，包括溶解功能、储存蛋白质和糖类、维持膨压、平衡细胞体积和防御反应等。此外，在植物种子生物反应器中，液泡被认为是用于储存和生产药用蛋白的理想细胞器。尽管液泡体积很大并具有多种功能，但在过去四十年中，植物溶解型液泡的起源机制仍存在争议，目前有两个不同的液泡起源模型。第一个模型认为彼此分离的液泡是由内涵体融合而成；而另一个模型则主张相互连通的液泡是由内质网衍生而来。这两个模型都建基于二维透射电子显微镜和三维共聚焦显微镜的研究结果。然而，鉴于植物液泡的复杂性和多变性，唯有通过三维透射电子显微镜或全细胞断层扫描技术，以纳米分辨率解析，才能更好地揭示液泡的形成。

在过去逾十八年，中大姜里文教授的科研团队一直致力于研究蛋白质传输机理及细胞器的生物形成机制，在植物细胞生物学领域一直处于国际领先地位。在是次发表于 《自然 — 植物》 的研究中，姜教授的科研团队利用世界领先的三维电子断层扫描技术，结合场发射扫描电子显微镜技术和光转换技术，研究植物根细胞中不同阶段的液泡，并以纳米分辨率揭示了液泡起源的奥秘。

本研究的主要新发现包括：

（1）三维电子断层扫描结果证明植物初生液泡为直径介于400纳米至1,000纳米彼此分离的小液泡（SV）（ 图 1-2 ）;

（2）这些小液泡含有腔内小泡（ILVs）并由多囊泡体（MVBs）衍生而来（ 图 2 ）;

（3）全细胞电子断层扫描结果展示了在植物皮层细胞中，不同大小液泡的性质和彼此之间的关系（融合和分离）（ 图 3 ）； 

根据上述的新发现，研究团队提出了植物细胞中新的液泡发生模型（ 图 4 ）， 指出液泡是由多囊泡体融合衍生而来，其中包括一系列多种蛋白参与的融合过程。该模型对未来植物液泡研究具有指导意义。 

这项研究是革命性的，因为它不仅揭示了液泡起源的分子机制，而且是未来液泡功能研究的基础。这将为提高农作物抗逆能力和抵抗病原体感染，以及用植物液泡（特别是种子储存型液泡）生产药用蛋白提供新的见解。此外，该研究还建立了使用三维电子断层扫描技术在细胞器重建研究中的新标准。

姜里文教授表示：「这是十八年来，我们多个AoE/CRF资助项目中最好的研究工作之一。是次研究成果将重新定义教科书中有关植物液泡的概念，并对植物生物技术应用带来重大影响。液泡对于调节植物生长和发育以及对环境的响应是必不可少的。此外，在植物生物反应器中，种子中的液泡被认为是用于储存和生产治疗人类疾病药用蛋白的理想细胞器，是次研究为生产药用蛋白提供了新思路。」

是次研究主要由姜教授实验室的一位博士后研究员（崔勇博士）和两位博士生（曹文瀚和何艺林）完成。是次研究项目获香港研究资助局的卓越学科领域计划（Areas of Excellence Scheme）和协作研究基金（Collaborative Research Fund）、中大细胞器生物合成及功能研究中心（Centre for Organelle Biogenesis and Function）、细胞及发育生物学研究中心（Centre for Cell and Developmental Biology）以及农业生物技术国家重点实验室的支援。 

由姜教授指导的研究生和博士后研究员因卓越的研究成果多次荣获各项殊荣，至今已有超过十五名学生在香港，中国内地、新加坡和美国担任独立项目负责人。