2019年10月7日,國際知名自然出版社旗下的《Scientific Reports》雜誌在線發表了和也健康科技有限公司與上海師範大學生命科學學院、上海市植物分子科學重點實驗室黃繼榮教授團隊的科研合作成果「Static magnetic field regulates Arabidopsis root growth via auxin signaling」,揭示了高等植物響應穩態磁場的機制。
地球是一塊巨大的磁鐵,在地表產生0.25～0.65高斯的地磁場。現有的研究表明許多生命具有感知並利用地磁場的能力。生物感知磁信號並將信號轉化為一系列生理生化響應的機制是當今生命科學研究中的前沿熱點科學問題。
迄今,科學家們提出了兩個假說:即基於磁鐵顆粒的磁感應假說和基於光化學依賴的自由基對磁感應假說。根據磁鐵顆粒假說,磁感應細胞能夠產生納米級的呈線性排列的磁小體(磁性顆粒),在運動中感知磁場方向;自由基對假說模型中,認為藍光受體隱花色素蛋白(CRY)是磁受體蛋白的候選者,隱花色素在藍光誘導下能產生兩個電子自旋方向相反或平行的單重態和三重態自由基對,而自由基對具有磁敏感性,在磁場作用下單重態與三重態的比例發生變化從而產生一系列的生理生化過程。
本項目以模式植物擬南芥為材料研究了靜磁場對植物生長發育的影響,旨在揭示生物體應答磁場信號的分子機制。我們的研究結果發現6000高斯的磁場處理(除了植物主根的生長方向與磁場方向相反外,即圖中標記的N180)能顯著促進擬南芥主根的生長,但對葉片與下胚軸的生長影響不明顯。進一步的研究表明磁場促進根生長是由細胞數目增多引起的。分子生物學實驗結果表明磁場能促進生長素在根尖細胞中的轉運,提高根尖細胞中的生長素含量,使分生組織中的細胞分裂加快。這一研究結果得到了遺傳學證據的支持,即敲除參與根尖細胞中生長素轉運的關鍵基因PIN3和AUX1的表達就會導致磁場的生物學效應消失。同時,我們利用高通量的轉錄組等手段研究了磁場對全基因組的表達影響。意外地發現SMF能抑制根細胞中大量的與葉綠體發育相關基因的表達,這也在一定程度了體現了根細胞中細胞分裂素和生長素濃度比例的改變。最後,我們還發現了藍光受體CRY參與靜磁場促進植物主根生長的過程。總體來說,我們的研究結果確立了靜磁場在植物中的生物學效應,為今後解析靜磁場作用的分子機理邁出了艱難的第一步。
論文的第一作者為金越講師、郭葦碩士和胡緒鵬博士,通信作者為黃繼榮教授。華東師範大學石鐵流教授、中國科技大學馬世嵩教授以及和也健康科技有限公司方志財董事長等參與了合作研究。項目獲得和也健康科技有限公司與上海市科學技術委員會的資助。