探索植物中触发光合作用和防御机制的细胞间信号

交通灯向汽车和公共汽车发出何时停车、减速和行驶的信号。就像交通灯一样，植物细胞相互发送信号以进行光合作用，以生长或抵抗破坏性病毒和病原体。

植物细胞产生胞间连丝，这是一种充当通讯通道的微小管子，允许这些信号在细胞之间传播。胞间连丝将响应激活PDLP5等蛋白质调节因子的各种信号而打开和关闭。

“我们知道这种蛋白质对于植物防御至关重要，”特拉华大学植物分子和细胞生物学教授、特拉华生物技术研究所临时所长Jung-YounLee说。“但是这种蛋白质是如何到达胞间连丝的呢?”

这些蛋白质调节剂如何找到目的地来实现其目的并帮助细胞发挥功能的问题一直困扰着科学家。直到特拉华大学介入。

在登上《植物细胞》杂志封面的一项新研究中，特拉华大学的研究人员发现，有助于保护植物免受病毒和细菌入侵的蛋白质PDLP5不是一个，而是两个特殊的靶向信号，或“邮政编码”，如李给他们打电话，他们出乎意料地驻扎在牢房外。

“这几乎就像你在信封不寻常的一面隐藏了一个邮政编码，”李说。“我们所做的不仅仅是找到邮政编码;我们还破解了密码。现在我们了解了邮政编码在哪里以及它是什么样子。”

由生物学家和计算科学家组成的跨学科研究团队开发了机器学习算法，并将突变引入到PDLP5的蛋白质序列中，并重新引入植物物种拟南芥和本塞姆氏烟草中，以检查PDLP5是否会进入这些植物中的胞间连丝，并找出在哪里第二个邮政编码是。研究小组发现，即使去掉一个邮政编码，PDLP5仍然可以很好地进入胞间连丝。

“这让我们很头疼，”李说。“我们最初从未真正想过有两个邮政编码彼此相邻。”

两个“邮政编码”

李说，从历史上看，受到病毒攻击的植物被认为是“无助的失败者”。但在2011年，Lee和她的研究团队发现植物通过胞间连丝发送信号，让细胞“关闭边界”以保护自己免受病原体侵害。这一新见解是通过他们对当时新发现的蛋白质PDLP5的研究而实现的。

他们想知道植物如何引导这些PDLP5蛋白帮助胞间连丝关闭其通道。

几年前，Lee以前的学生、特拉华大学2017届毕业生XuWang一直在撰写研究植物细胞的博士论文间的通讯以及进入胞间连丝的蛋白质的功能。

Wang说：“我试图找出定位于胞间连丝的蛋白质的哪一部分是重要的，以及这部分是否包含更普遍或共同的特征，可以帮助我们了解其他蛋白质的定位机制，不仅是对于我们正在研究的蛋白质。”

当Wang将各种突变引入PDLP5并试图将其破坏时，他对接下来发生的事情感到震惊。

王说：“一切都没有改变。”“突变体，或者简写形式，总是指胞间连丝。”

王觉得自己的学习和论文的最后一篇被卡住了。

王毕业后，李聘请了计算机科学家来开发机器学习算法来帮助解开这个谜团。

李廖，计算机与信息科学副教授与李和她当时新招募的博士后加布里埃尔·罗伯斯·卢纳(GabrielRoblesLuna)(目前是阿根廷大学教员)合作开展这项研究。两种类型的预测。

该模型将预测蛋白质序列是否是PDLP5靶向蛋白质，是否会进入胞间连丝，并预测靶向信号在蛋白质序列中的位置。

“一个挑战是我们的训练数据非常有限，只有八个这样的蛋白质序列，”廖说。“现在，机器学习很强大，因为它可以训练大量数据。如果你只有少量数据来训练模型，那就不容易了。”

为了克服这个问题，廖和他当时的新博士生李杰夫(2021届特拉华大学毕业生)必须以新的方式训练模型。

“我们开发了一些新颖的机制，包括修订标准训练算法来处理部分信号，”廖说。“如果我们知道一些尝试性的模式，我们就可以将其纳入训练算法中。更重要的是，这将使我们能够进行主动学习。”

李说，了解植物细胞内的蛋白质调节最终可以帮助科学家基因改造能够快速抵抗病毒和其他微生物病原体的新作物。这是改善植物和农作物功能的又一种方法。

“这对科学家来说是一个很酷的新工具箱，”李说。“我们有可以操纵的机制和分子。”

王对此表示同意，并补充说，用位于胞间连丝的蛋白质进行基因工程改造可以打开和关闭通道，这将有助于“操纵植物的整体适应性或植物的防御能力，从而可能产生一些农业效益。”

研究并不止于此。研究人员已向国家科学基金会提交了另一项拨款提案以继续他们的研究。现在，该团队希望使用机器学习算法来了解蛋白质信号的使用方式。就像UPS司机如何使用邮政编码来递送包裹一样。李说，团队希望了解整个“传递系统”的来龙去脉，包括涉及哪些蛋白质以及任何未知的参与者。

“如果我们只操纵邮政编码，它可能有50%的成功率，”Lee说。“但是，如果我们知道送货员是谁，并改进或改变送货员，使病毒不再能够转移到胞间连丝，如果我们能够改变系统，植物就会更好地识别入侵者，并知道不要将它们运送到胞间连丝。”。