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| 保衛細胞。圖片來源：維基百科 |
過去已知在不同細胞類型中，細胞質pH和鈣離子濃度有密切相關，但具體的機制仍不清楚。最近發表在《科學》期刊上的研究，研究團隊利用來自偽真菌Hyphochytrium catenoides的光門控HcKCR2通道來精確控制質膜上氫離子的流入，從而發現了光活化HcKCR2導致質膜去極化和細胞內pH降低，進而引發來自內質網的鈣離子釋放。這項發現為植物細胞內pH和鈣信號之間的相互作用提供了新的見解。
Hyphochytrium catenoides是一種異營性的原生生物，在生物學上與真菌相似。該生物的基因已被解碼，並且在其基因體中發現了兩個opsin基因，這兩個基因是自然界中首次發現的光門控鉀通道rhodopsins（KCRs），命名為Hc KCR1和Hc KCR2。這些KCRs與其他已知的channelrhodopsin不同，它們對鉀的選擇性高於鈉。這些發現對於了解和操控神經元的活動提供了新的工具，特別是在光遺傳學領域。
因為這兩個opsin也不使用鈣離子，所以很適合研究鈣離子與氫離子之間的關係。在這個研究，研究團隊使用HcKCR2來作為他們的工具。他們將HcKCR2轉殖到阿拉伯芥的保衛細胞（guard cell）中，然後用光去刺激它。為什麼選用保衛細胞是因為，過去對於保衛細胞中的相關研究，已經提供了非常多的資料。
研究團隊使用了pH指示劑pHuji和鈣離子報告劑R-GECO1來監測氫離子與鈣離子的變化。當HcKCR2被藍光活化後，會觸發質膜去極化，而這個過程需要鈣依賴的SLAC1/SLAH3陰離子通道的協助。
由於HcKCR2並不會讓鈣離子通過，這就意味著在它被光活化之後，看到的鈣離子濃度上升可能是來自於內質網。為了確認鈣離子是從內質網釋放，研究團隊進行了一系列實驗。他們使用了包括鈣離子螯合劑EGTA和抑制內質網鈣幫浦的藥物cyclopiazonic acid (CPA)。當進行光刺激HcKCR2的實驗同時使用這些藥物時，發現CPA可以顯著抑制HcKCR2誘導的鈣離子信號，而pH信號則未受影響。這些實驗結果顯示，HcKCR2誘導的細胞質酸化觸發了內質網釋放鈣離子。使用EGTA也有類似的結果，顯示細胞質酸化後觀察到的鈣離子上升來自於內質網。
最後，研究團隊還發現了這個質膜去極化的過程需要SLAC1/SLAH3陰離子通道。這算是一個意外，不過為了證明這兩個通道對質膜去極化是需要的，研究團隊還進行了電生理實驗，測量了細胞的膜電位變化。研究團隊發現，在缺少SLAC1/SLAH3通道的阿拉伯芥保衛細胞中，雖然HcKCR2能被光活化，但質膜去極化的現象並未發生，這進一步證明了SLAC1/SLAH3在這一過程中的重要性。
參考文獻：
Shouguang Huang, Like Shen, M. Rob G. Roelfsema, Dirk Becker, Rainer Hedrich. Light-gated channelrhodopsin sparks proton-induced calcium release in guard cells. Science, 2023; 382 (6676): 1314 DOI: 10.1126/science.adj9696
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