光是植物的能量来源，并从根本上塑造了植物生理和生长特性。植物通过快速生长的下胚轴从黑暗土壤中长出地面，随后迅速调整其生长状态以适应光下生长环境，这一过程的精确调控是植物生长发育的关键节点。下胚轴在感知光照条件变化时表现出显著的表型可塑性，一直是植物学领域阐明光信号和研究细胞伸长调控的代表性模型系统。转录因子ELONGATED HYPOCOTYL5（HY5）是植物光信号通路的核心因子，hy5突变体对光不敏感，下胚轴在见光后仍高速伸长，但这一过程具体的细胞学机制仍不清楚。

近日，北京大学现代农业研究院/潍坊现代农业山东省实验室/小麦育种全国重点实验室李磊研究员团队在Current Biology 发表了题为“Polarized pectin accumulation regulates differential hypocotyl elongation at the dark-to-light transition ”的研究论文。该研究发现拟南芥细胞壁中果胶的极性分布调控了暗转光过程中下胚轴伸长的快速抑制。

在前期发现HY5-miR775-GALT9通路能够调控细胞壁果胶水平的基础上，本研究利用延时摄影技术记录了见光前后两小时内拟南芥下胚轴长度的变化，绘制了下胚轴由暗转光过程中的生长动力学曲线并计算了生长速率。野生型下胚轴生长速率在见光后显著下降，而果胶水平低的株系（hy5，MIR775-OX，galt9），见光后仍保持高速生长；反之，果胶含量高的株系（HY5-OX，mir775，GALT9-OX）在黑暗中时则一直以较低的生长速率生长（图1）。

图1. 不同基因型拟南芥黄化幼苗在见光前后的生长曲线

利用细胞壁多糖抗体和相干拉曼显微等方法，发现在见光后极短时间内，下胚轴细胞壁纤维素和半纤维素含量没有显著变化，但果胶水平显著上升，并且原位标记结果显示果胶信号在横向细胞壁显著增强。进一步分析发现GALT9蛋白在见光后迅速积累在下胚轴横向细胞壁附近，并且在hy5中过表达GALT9后，果胶在黑暗中提前积累。原子力显微镜分析显示见光后果胶的极性分布显著增强了下胚轴横向细胞壁的机械强度（图2A-B）。综上，本研究揭示了HY5-miR775-GALT9通路介导的果胶极性积累与细胞壁刚性的快速不对称增加相关，从而降低了细胞在光照下的伸长（图2C）。本研究为控制下胚轴差异生长的细胞机制提供了新的见解，对深入解析化学物质基础、细胞壁力学特征和器官发育三者之间的协同关系具有重要意义。

图2. 果胶的不对称分布决定了细胞壁力学性质和细胞伸长

李磊研究员为该论文通讯作者，北京大学现代农业研究院访问学者、北京大学现代农学院博士后张禾为本文第一作者，北京大学现代农学院博士后肖亮、北京大学生命科学学院覃思颖博士、北京大学现代农学院博士后万苗苗、北京大学生命科学学院已毕业沈凤博士、北京大学生命科学学院博士研究生赵佳禾等对该论文亦有重要贡献。

振电（苏州）医疗科技有限公司的伊首璞和卢习在拉曼成像和数据分析方面提供了技术支持，北京大学国家蛋白质科学中心在原子力显微镜分析方面提供了帮助。该研究得到了国家自然科学基金和泰山学者项目的支持。

原文链接：https://www.cell.com/current-biology/fulltext/S0960-9822(24)01694-4