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基于FRET原理的生物传感器: 小分子荧光探针在植物中的研究进展

吕加一, 李乐攻, 侯聪聪

植物学报 2025, 60 (2): 283-293. DOI: 10.11983/CBB24056

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生物小分子是指生物体内分子量较小的单体物质, 植物小分子种类繁多, 包括离子、植物激素和代谢物等。了解植物体内这些小分子的动态变化, 有助于解析相关的生理功能和调控网络, 并为植物细胞学的精确观察创造新的机遇。基于Förster共振能量转移(Förster resonance energy transfer, FRET)原理设计的基因编码荧光生物传感器/探针, 为活体内观察这些小分子的动态变化提供了强有力的工具。通过FRET传感器/探针, 能够可视化细胞内特定小分子化合物的浓度, 并实时获取高分辨率图像。这一技术因其独特的优势而被广泛应用于植物生理学、发育生物学和环境科学等研究领域。该文总结了近年来植物学研究中使用的FRET传感器/探针, 概述了它们的主要设计思路, 并阐述了其在检测离子、植物激素及代谢物方面的应用与研究进展, 旨在为植物中生物小分子的功能研究提供实用的技术手段和可能的研究方向。

生物传感器/探针	目标小分子	感知元件	FRET供体	FRET受体	参考文献
YC	Ca²⁺	CaM (calmodulin)-M13	eCFP (enhanced cyan fluorescent protein)	eYFP (enhanced yellow fluorescent protein)	Miyawaki et al., 1997
CALWY	Zn²⁺	ATOX1和WD4	eCFP	eYFP	van Dongen et al., 2007
eCALWY	Zn²⁺	ATOX1和WD4	Cerulean	Citrine	Vinkenborg et al., 2009
NiTrac1	NO₃^-	NRT1.1 (nitrate transporter 1.1)	mCerulean	Aphrodite	Ho and Frommer, 2014
NitraMeter3.0	NO₃^-	NasR蛋白中的硝酸盐和亚硝酸盐结合结构域	edeCFP	edAFP	Chen et al., 2022
FLIPPi	Pi	PiBP (phosphate-binding protein)	eCFP	eYFP/cpVenus	Gu et al., 2006; Mukherjee et al., 2015
ABAleon	脱落酸	全长PYR1 (pyrabactin resistance 1)和截短的ABI1 (ABA insensitive 1)	mTurquoise	cpVenus73	Waadt et al., 2014
ABACUS	脱落酸	全长PYL1 (PYR-like protein 1)和ABI1催化结构域	edCerulean	edCitrine	Jones et al., 2014
GPS1	赤霉素	截短的GAI (gibberellic acid insensitive)和全长GID1C (GA insensitive dwarf 1c)	edCerulean	edAFP	Rizza et al., 2017
AuxSen	生长素	TrpR (tryptophan repressor)	Aquamarine	mNeonGreen	Herud-Sikimić et al., 2021
FLIPglus	葡萄糖	GGBP (glucose/galactose-binding protein)	eCFP	eYFP	Fehr et al., 2003
Ateam	ATP	F_oF₁-ATP合酶的ε亚基	mseCFP	cp173-mVenus	Imamura et al., 2009
-	谷氨酰胺	QBP (glutamine binding protein)	CFP	YFP	Yang et al., 2010

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表1 植物中基于Förster共振能量转移(FRET)原理的小分子生物传感器/探针

正文中引用本图/表的段落

FRET生物传感器/探针在植物学研究中具有独特的优势。首先, 它们能够实时追踪细胞内生物分子的动态变化; 其次, FRET技术的高灵敏度和空间分辨率能够在单细胞甚至亚细胞水平上获取精确数据(Jones et al., 2013; Bhuckory et al., 2019; Zhang et al., 2019)。本文将重点介绍植物学研究中基于FRET原理设计的小分子荧光传感器/探针(表1), 阐明其设计思路, 并概述这些传感器/探针在植物学领域中的最新应用和发现。传感器/探针的设计和开发为植物学研究提供了新的思路和方向, 随着技术的进一步发展和完善, 其有望在植物育种和作物改良中发挥更大的作用。

Ho和Frommer (2014)利用拟南芥NO₃-转运蛋白1.1 (nitrate transporter 1.1, NRT1.1)连接2个荧光蛋白mCerulean和Aphrodite, 开发了首个NO₃-传感器/探针NiTrac1。通过在酵母细胞中表达NiTrac1, 揭示了NO₃-的跨膜转运过程, 并发现NO₃-依赖性荧光淬灭可逆。

除了监测葡萄糖浓度, FLIPglu还被用于研究植物葡萄糖转运体。Chen等(2010)从拟南芥膜蛋白数据库Aramemnon (http://aramemnon.uni-koeln.de)中选择了潜在参与葡萄糖转运过程的基因, 并在HEK293T细胞中与FLIPglu-600μΔ13V共表达, 鉴定到关键转运蛋白AtSWEET1。在缺乏全部18个己糖转运体的酵母突变体中表达AtSWEET1, 证实了AtSWEET1作为葡萄糖转运体的功能(Wieczorke et al., 1999; Chen et al., 2010)。

近年来, De Col等(2017)将ATeam应用于植物研究, 在拟南芥的细胞质、线粒体和质体的基质中表达了ATP传感器/探针ATeam1.03-nD/nA, 实现了在活体植物细胞中测定MgATP2-的浓度。利用ATeam传感器/探针, 发现拟南芥幼苗不同组织及根毛不同细胞类型之间的MgATP2-浓度差异, 揭示了正常发育及缺氧诱导的能量应激过程中MgATP2-的时空分布特征(De Col et al., 2017)。

本文的其它图/表

图1 基于Förster共振能量转移(FRET)原理的生物传感器/探针
(A) FRET原理; (B) 基于FRET原理设计的生物传感器/探针结构