光与重力是核心的物理环境因子，在植物的生长发育过程中发挥着重要的调控作用。植物的地上部分和地下部分都能对重力作出响应。根通常表现出正向重力性，即沿着重力方向向下生长，这有助于植物的固着以及营养与水分的吸收；而茎则通常表现出负向重力性，即背离重力方向向上生长，以便获取光能并进行空气交换。光对植物地上部分和地下部分的向重力性存在相反的调控作用，它抑制植物胚轴或茎的负向重力性，却促进根的正向重力性。陈浩东团队此前揭示了淀粉体沉降引导LAZY蛋白重新极性化的重力感受机制，并发现光信号的核心转录因子PIFs与HY5可以通过调控LAZY基因的表达量，进而差异性调控植物不同器官的向重力性。然而，光与重力信号之间是否存在其他层次的相互作用，仍有待进一步的研究。
2024年7月11日，《植物学报（英文版）》（Journal of Integrative Plant Biology，简称JIPB）在线发表了金沙js4399首页陈浩东、北京大学邓兴旺与瑞士弗里堡大学Markus Geisler联合团队题为“光稳定GIL1蛋白遏制PIN3活性以抑制胚轴向重力性”（Light-stabilized GIL1 suppresses PIN3 activity to inhibit hypocotyl gravitropism）的研究论文。该研究揭示了被光信号稳定的Gravitropic in the light 1 (GIL1)蛋白通过遏制生长素转运蛋白PIN3的活性，从而抑制植物胚轴负向重力性的机制。这一调控机制显著提升了幼苗的出土率。
红光或远红光照射能减弱植物胚轴的负向重力性，使其偏离重力方向，这一现象被称为Randomization of hypocotyl orientation (RHO)，该调控过程可提高植物在出土与能量捕获等方面的适应性。前人通过正向遗传筛选在拟南芥中获得了gil1突变体，其胚轴的负向重力性在红光或远红光下优于野生型，然而GIL1的工作机制长期未知。陈浩东团队的研究发现，gil1突变体与红光受体突变体phyB在红光下胚轴的负向重力性表型基本一致，这表明GIL1是红光抑制胚轴负向重力性的关键因子。GIL1蛋白定位在细胞膜上，主要在胚轴上半部分的内皮层中调控植物的向重力性。GIL1蛋白与生长素转运蛋白PIN3共定位在细胞膜上并且直接相互作用。生长素转运实验证明了GIL1可以抑制PIN3蛋白的生长素转运活性。遗传学分析显示，pin3突变体可以显著减弱gil1的胚轴负向重力性，这表明GIL1很可能在PIN3的上游执行功能。该研究还揭示了GIL1蛋白含量受红光与远红光调控的机制：黑暗条件下生长的植物幼苗中GIL1蛋白因不稳定而难以积累，而红光或远红光可以显著提升GIL1蛋白的稳定性。土壤覆盖实验证实了GIL1的突变会导致植物幼苗出土率的下降。
综合起来，该研究揭示了光信号抑制胚轴负向重力性的新机制：在黑暗环境中，GIL1蛋白易于降解，此时转运蛋白PIN3通过调控生长素的极性运输，促进胚轴的负向重力性；而在红光或远红光条件下，GIL1蛋白的稳定性显著提升，它与PIN3蛋白相互作用并抑制其生长素转运活性，从而抑制胚轴的负向重力性（图1）。这一调控机制使得植物的生长方向兼具原则性（胚轴向上生长）和灵活性（适度偏离竖直方向），从而使植物能够更好地适应环境。鉴于该调控机制可促进植物幼苗的出土存活以及光能获取，该研究在揭示植物光信号与重力信号互作机制的同时，也为作物向性相关农艺性状的改良提供了重要的知识基础。
图1. GIL1蛋白抑制植物胚轴负向重力性的工作模型
金沙js4399首页博士后王笑连及北京大学金沙js4399首页已毕业2013级博士研究生袁艳芳为该论文的共同第一作者。金沙js4399首页、清华-北大生命科学联合中心陈浩东研究员，北京大学现代农学院、北京大学现代农业研究院、北大-清华生命科学联合中心邓兴旺教授，瑞士弗里堡大学Markus Geisler高级研究员为该论文的共同通讯作者。金沙js4399首页博士后邓兆国、瑞士弗里堡大学研究生Laurence Charrier也参与了该论文工作。该工作得到了中国农业大学张静教授、李继刚教授，北京大学胡迎春博士、李羽帆博士、周杨杨博士在实验材料、电镜工作、课题设计、图片整理等方面的帮助。资助来自国家自然科学基金、金沙js4399首页笃实专项、清华-北大生命科学联合中心、瑞士国家基金等。
论文链接：https://doi.org/10.1111/jipb.13736
