Current Biology | Joanne Chory团队利用基因编辑技术揭示捕蝇草捕虫机制

撰文 | 常道

捕蝇草（Dionaea muscipula）是一种原产北美的多年生草本植物，据说因为叶片边缘的刺毛像古罗马女神维纳斯长长的的睫毛，所以得英文名Venus Flytrap。这种植物的主要特征是能够迅速闭合叶片（约0.2秒）捕食小型昆虫，是一种食肉植物。捕蝇草叶片的关闭是由触发毛的机械刺激引起的，先前的研究表明触发毛收到第一次机械刺激后，叶片内钙离子浓度急剧变化，会引发动作电位在叶片上传播，而触发毛再次被刺激引发第二次动作电位时，会导致两个叶瓣的闭合【1,2】。转录组分析发现FLYCATCHER1(FLYC1)、FLYC2和OSCA家族成员介导的三种机械敏感离子通道可能参与了捕蝇草对外界刺激的响应，这些离子通道是细胞膜去极化进而启动电信号所必需的【3,4】。目前，食肉植物的基因组编辑技术尚未见报道，而且非模式植物的遗传转化瓶颈也限制了其基因功能的研究。

近日，来自美国Salk Institute for Biological Studies的植物生物学家Joanne Chory带领的研究团队在CurrentBiology上发表了一篇题为Mutational analysis of mechanosensitive ion channels in the carnivorous Venus flytrap plant的研究论文。该研究利用CRISPR-Cas9系统首次实现了捕蝇草的基因编辑，并通过编辑两个机械敏感离子通道相关基因揭示其参与了捕蝇草对外界刺激响应的过程。

本研究中，研究人员首先利用基因枪将携带靶标基因gRNA的CRISPR/Cas9编辑系统转化进入捕蝇草的愈伤组织中，随后筛选到一个转基因阳性苗；经过反复的分裂和再生转基因材料，通过基因型鉴定获得了FLYC1和FLYC2基因的突变体植株。随后对flyc1突变体植株进行了表型观测，发现flyc1突变体与野生型相比，发育表型没有明显差异，而且应对外界刺激（移液管触碰、超声刺激）的能力也与野生型没有差异，排除基因编辑脱靶可能带来的影响，说明单独FLYC1无法调控捕蝇草对猎物刺激的响应。为了进一步探究捕蝇草响应刺激的机制，研究人员筛选出flyc1/flyc2双突变体植株，虽然在土壤中双突变体跟野生型相比植株大小存在一定程度的差异，但是在叶片上触发毛的形态并没有明显不同，随后通过外界刺激实验，发现双突变体在响应强烈的外界刺激（移液管触碰）时，与野生型相比没有明显差异，而当面对较微弱刺激（超声刺激）时，双突变体植株需要相对较强烈的刺激才能闭合叶片，以上结果说明FLYC1和FLYC2共同调控了捕蝇草对外界陷阱的闭合响应，同时本研究开发的超声刺激策略将是一种非常有效的检测捕蝇草叶片刺激响应的手段。

综上所述，本研究首次在肉食植物捕蝇草中实现了基因编辑，通过同时编辑两个基因FLYC1/FLYC2，揭示了捕蝇草利用多种机械敏感离子通道探测猎物的策略，本研究开发的超声刺激策略为定量研究植物陷阱生理学提供了新的检测方法；虽然本研究没有评估CRISPR/Cas9脱靶效应对植株表型的影响，但是为非模式植物的基因功能研究提供了借鉴。

参考文献：

【1】Stuhlman, O. Jr & Darder, E. B. (1950). The action potentials obtained from Venus's-flytrap. Science111, 491–492.

【2】Forterre, Y., Skotheim, J.M., Dumais, J., and Mahadevan, L. (2005). How the Venus flflytrap snaps. Nature 433, 421–425.

【3】Iosip, A.L., Bohm, J., Scherzer, S., Al-Rasheid, K.A.S., Dreyer, I., Schultz, J., Becker, D., Kreuzer, I., and Hedrich, R. (2020). The Venus flflytrap trigger hair-specifific potassium channel KDM1 can reestablish the K+ gradient required for hapto-electric signaling. PLoS Biol. 18, e3000964.

【4】Procko, C., Murthy, S., Keenan, W.T., Mousavi, S.A.R., Dabi, T., Coombs, A., Procko, E., Baird, L., Patapoutian, A., and Chory, J. (2021). Stretch activated ion channels identifified in the touch-sensitive structures of carnivorous Droseraceae plants. eLife 10, e64250.

https://doi.org/10.1016/j.cub.2023.06.048