光遗传学表示通过基于光的生物学技术对细胞过程的操纵。由维尔茨堡植物科学家Rainer Hedrich，Georg Nagel和Dirk Becker领导的国际研究小组已成功地将此方法应用于高等植物：现在可以使用光脉冲来触发植物中的电激发。

“借助这种工具，我们首次能够在分子水平上无创地研究植物中基于电的细胞通讯途径，并询问植物如何利用这些电信号来应对极端的温度波动，草食动物或其他胁迫因素。”德克·贝克尔(Dirk Becker)说。

当植物受到压力时，它们会发出长距离传播的电信号，称为膜电位波。因此，即使植物既没有大脑也没有神经细胞，它们仍然能够在远距离快速而精确地传输信息。然而，所涉及的分子机制在很大程度上尚不清楚。研究团队在著名的PNAS杂志(美国国家科学院院刊)上提供了对这些复杂过程的新见解。

藻类为膜生物学提供工具

我们如何在植物中模拟通常由压力或伤害触发的电信号而又不会引起不良副反应?

该团队借助光遗传学解决了这一挑战。该方法自2002年以来一直可用，当前PNAS出版物的共同作者Georg Nagel和Ernst Bamberg以及其他研究人员因其开发而获得了多个奖项。

只要神经细胞膜先前配备有来自藻类的光敏离子通道(称为通道视紫红质)，光遗传学就可以通过光脉冲控制神经细胞的电活动。

压力导致去极化和酸化

Dirk Becker解释说，高等植物在进化过程中失去了藻类的光敏离子通道。现在，研究人员已经成功地将通道视紫红质基因返回到拟南芥模型植物的基因组中，该植物的叶细胞可以被光特异性激发，并且可以分析膜的电响应。

如果植物受到压力，刺激的细胞会去极化，细胞环境会变得更加酸性。这是众所周知的。但是如何在实验中模拟这两个过程?维尔茨堡大学的研究人员使用了一种视紫红质变体，该变体被蓝光打开，然后将质子传导到细胞中。

Rainer Hedrich说，正常情况下，植物细胞的细胞壁至少比细胞内部酸性高一个pH单位。如果质子通道打开，质子和因此正电荷将不可避免地流过细胞膜。这会使膜去极化并酸化细胞内部。