KATANIN和CLASP在不同空间介导子叶微管对机械胁迫的响应
形态发生的复杂过程对构成单细胞和多细胞生物的细胞和组织的功能至关重要。在植物中，微管细胞骨架介导纤维素微原纤维的沉积，这些微原纤维是植物细胞壁的组成部分。细胞壁根据其力学特性发挥促进或阻碍生长的作用，它可以抵消巨大的膨压，从而影响细胞和组织的形态。表皮扁平细胞（PCs）发育过程中能够产生凸起的lobe和凹陷的neck，最终形成一个复杂的细胞形状。因其细胞形状复杂而又有规律性，表皮扁平细胞（PCs）成为研究细胞极性生长和细胞形状调控机制的典型对象。微管在PCs的凹陷区域形成高度有序的扇形横向排列，导致纤维素微纤维的各向异性沉积，从而限制这些区域的生长和运动，从而形成不太复杂的细胞形状。
PCs中的微管动力学和组织由植物蛋白及其效应蛋白和微管相关蛋白的各种Rho调控。KATANIN, SPIRAL2和CLASP是微管相关蛋白，是PCs形态发生所必需的，因为这些蛋白的丢失会导致异常的微管阵列和PCs形态。除了生化调节外，源自细胞组织间的机械胁迫也会导致微管与最大胁迫方向对齐，从而影响细胞和组织水平的形态发生。
当在子叶组织中引入细胞组织间的机械胁迫时，PCs中依赖细胞骨架的微管组织可以被解耦，从而导致微管排列与这些胁迫模式对齐。不同尺度的机械胁迫对微管反应的变化表明，在确定微管顺序时，细胞自主和非细胞自主机械胁迫模式之间存在平衡。然而，在不同长度尺度（从亚细胞到组织）产生的机械胁迫对影响细胞和组织形态的相对贡献仍未得到解决。研究表明，各种微管相关蛋白参与调控微管对机械胁迫变化的响应。然而，目前尚不清楚是否存在特定的调控因子来介导微管对不同水平的机械胁迫的响应，例如亚细胞和组织层面的机械胁迫。
近日，德国马普分子植物生理研究所Arun Sampathkumar团队在国际著名杂志Current Biology在线发表了“KATANIN and CLASP function at different spatial scales to mediate microtubule response to mechanical stress in Arabidopsis cotyledons”的研究性论文。发现KATANIN 和 CLASP蛋白质在子叶表皮中以不同程度响应组织细胞水平的机械胁迫来调节微管组织。
在这项研究中，科学家们将子叶从种子中解剖，并采用了不受植物生长干扰的长期活细胞成像技术，细胞形状驱动的微管方向在扁平细胞发育的整个早期阶段都是持续的。接下来，研究者推断上述细胞形状依赖的微管调控的变化可能是细胞力学状态的结果。因为生长速率与胁迫大小成正比，所以他们在0到96hpd之间每24小时测量相对面积生长速率，以了解生长速率和形状依赖的微管之间的相关性。最终研究人员推测微管与凹陷区域的联系可能纯粹是一种细胞形状驱动的现象，而不是基于胁迫的调节。接下来，他们测试了是否可以通过增加5日龄子叶的膨压来增加微管与凹陷域的关联。然而，没有观察到微管与缩进结构域的关联发生任何变化，这表明生物物理机制本身不足以驱动微管排序，细胞需要其他生化成分来完成这一过程。
接下来，作者想确定微管相关蛋白在组织微管排列以响应细胞形状衍生的亚细胞胁迫的作用。他们聚焦于两个微管相关蛋白KATANIN和CLASP，数据表明KATANIN和CLASP具有调节细胞形状和胁迫依赖的微管组织的功能。接着作者研究当ktn1-2和clasp-1突变体中微管对亚细胞胁迫的反应降低时，微管对PCs形态的影响。这些蛋白在子叶表皮中调控微管组织以不同程度地响应组织尺度的机械应力。结果进一步表明，子叶形态的调控与PCs形状的机械胁迫依赖性控制是不耦合的，而PCs形状依赖于亚细胞机械应力控制的微管组织。
作者最后总结，他们的研究结果提供了关于胁迫如何控制细胞和组织形式的基本见解。首先，他们发现CLASP-和KATANIN介导的微管组织应对亚细胞水平的胁迫参与了细胞形态发生。第二，通过鉴定CLASP在亚细胞水平上主要协助微管对胁迫的反应，能够表明在组织水平上产生的胁迫影响着组织形式，而不依赖于亚细胞水平的微管组织。
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