人們對于生長素的認(rèn)識已有超過百年的歷史，生長素可以在植物快速分裂的組織如嫩芽、莖端和根中合成，可以主動或者被動運(yùn)輸?shù)街参锏母鱾€部分，生長素在組織間的運(yùn)輸以及特定部位的聚集影響了植物生長發(fā)育的各個過程，包括胚胎形成、葉發(fā)育、維管組織分化和根發(fā)育等。生長素可以通過輸入或者輸出載體在植物組織間有方向的流動【1】。經(jīng)典的生長素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)主要是通過３類蛋白完成，包括生長素受體TRANSPORT INHIBITOR RESISTANT 1/AUXIN SIGNALING F-BOX (TIR1/AFB) (TIR1/AFB)、轉(zhuǎn)錄抑制子AUXIN/INDOLE-3-ACETIC ACID (AUX/IAA)（Aux/IAA）以及生長素響應(yīng)因子AUXIN RESPONSE FACTOR （ARFs）。一定濃度的生長素存在時，生長素共受體蛋白TIR1/AFB1-5形成SKP1-CULLIN-F-BOX（SCF）復(fù)合體并通過與 Aux/IAA 的相互作用泛素化降解轉(zhuǎn)錄抑制子 Aux/IAA，從而釋放出有活性的 ARFs 并啟動下游生長素相關(guān)響應(yīng)基因的表達(dá)【2】。

近年來，化學(xué)遺傳（Chemical genetics）作為一種新型的研究方法正逐漸得到推廣和應(yīng)用。該方法利用活性小分子化學(xué)物對研究材料進(jìn)行篩選與鑒定，從而解析蛋白的功能。近日，來自瑞典農(nóng)業(yè)大學(xué)的Stephanie Robert課題組在PNAS上在線發(fā)表了題目為Selective auxin agonists induce specific AUX/IAA protein degradation to modulate plant development 的研究論文。該研究從8000個化合物中篩選到一種小分子化合物，其可作為生長素選擇性激動劑特異性的誘導(dǎo)Aux/IAA 蛋白降解從而調(diào)控植物發(fā)育。

植物體內(nèi)的泛素蛋白酶體途徑在植物信號中有重要作用。類泛素化蛋白 RELATED TO UBIQUITIN/NEURAL PRECURSOR CELL EXPRESSED DEVELOPMENTALLY DOWN-REGULATED PROTEIN 8 (RUB/NEDD8) 可修飾該途徑中的一些組分，對維持蛋白酶體的活性非常重要【3】。在植物體內(nèi)，激活NEDD8 需要AUXIN RESISTANT 1 （AXR1） 的參與，其缺后會影響激素響應(yīng)。在該研究中，研究人員利用化學(xué)生物學(xué)篩選，通過對比 Col-0 和 axr1-30 幼苗表型，結(jié)合生長素所影響的主根長度、下胚軸長度和側(cè)根數(shù)目作為主要的指標(biāo)，從8000個化合物中識別了34個作為潛在的目的小分子，發(fā)現(xiàn)四個小分子 RubNeddin 1—4 （RN 1—4）是作用明顯。通過處理 Col-0 幼苗發(fā)現(xiàn) RN1 減少側(cè)根數(shù)目和主根長度，增加下胚軸長度；RN2 抑制主根生長和側(cè)根形成，對下胚軸無影響；RN3 促進(jìn)側(cè)根數(shù)目的增加；RN4 增加下胚軸的伸長和側(cè)根的形成。這些結(jié)構(gòu)相似的化合物對 axr1-30 處理，發(fā)現(xiàn)并沒有明顯的變化，表明這些化合物確實(shí)是 RUB/NEDD8 發(fā)揮功能所必須的。通過與 2,4-D，2,4,5-T 的功能進(jìn)行比較，該研究進(jìn)一步確定，RN1，RN3 和 RN4 促進(jìn)植物的生長發(fā)育，這表明RN1，RN3 和 RN4 可以作為生長素潛在的激動劑。

圖 四種RN引起不同的形態(tài)學(xué)變化

為解析 RN3 和 RN4 在生長素信號途徑中的作用，研究人員通過轉(zhuǎn)錄組測定 IAA，RN3 和 RN4 對擬南芥幼苗的影響。結(jié)果表明，IAA，RN3 和 RN4 都顯著上調(diào)了生長素的早期應(yīng)答基因 IAA1，IAA2，IAA3 和 IAA30 的表達(dá)，IAA 和 RN3 誘導(dǎo) IAA5 和 IAA16 的表達(dá)，而 IAA 和 RN4 誘導(dǎo) IAA10 和 IAA29 的表達(dá)。IAA，RN3 和 RN4 之間有許多表達(dá)不一致的基因，例如 LBD16, PBP1 和 PIN3 等，確認(rèn)了 RN 參與生長素相關(guān)的發(fā)育進(jìn)程。而通過免疫組化試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在體內(nèi)生長素信號對于 RN3 和 RN4 的初始響應(yīng)有所差異。

圖 RN3和RN4激活獨(dú)立的生長素應(yīng)答

通過轉(zhuǎn)錄組學(xué)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，RN3 和 RN4 影響 AUX/IAA 的降解，而具體的蛋白機(jī)理是未知的，因此通過對生長素調(diào)控側(cè)根的功能獲得型突變體中分析 RN3 和 RN4 的敏感性，用 RN3 和 RN4 分別處理 axr5-1，axr2-1，slr-1和 shy2-2 幼苗，發(fā)現(xiàn) RN3 對于slr-1不敏感，而對shy2-2超敏感，表明 RN3 對于 SLR 在調(diào)控側(cè)根的發(fā)育過程中沒有功能。同時發(fā)現(xiàn) RN4 在不同的濃度下對這幾個突變體的敏感性不同，主要對于axr5-1 和 shy2-2 起作用。另外，研究人員也研究了 RN3 和 RN4 對頂端彎鉤形成的影響，發(fā)現(xiàn) RN4 對于 AUX/IAA 的影響在側(cè)根和頂端彎鉤有不同的模式。

為更好的研究 RN4 在頂端彎鉤發(fā)育中的作用，研究人員通過在 0.5 微摩條件下的擬南芥幼苗的頂勾表型進(jìn)行 EMS 篩選，發(fā)現(xiàn)并命名為 hkb 突變體，而通過突變體驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn) hkb 確實(shí)對 RN4 不敏感，而對 hkb 全基因組序列分析后發(fā)現(xiàn)，hkb 突變體主要是由 BRM 序列（C-T替換）導(dǎo)致，通過 T-DNA 插入突變體比較兩個的表型比較接近，而且都對 RN4 不敏感，因此，確定了 BRM 基因在 RN4 對頂端彎鉤的形成不可或缺。

圖4 hkb 突變體對 RN4 在頂端彎鉤發(fā)育是不敏感的

綜上可知，研究人員通過一系列的化學(xué)生物學(xué)、免疫組化等試驗(yàn)方法，識別了生長素的新類似物，并通過 SAR 和 EMS 誘變，確認(rèn)了 RN3 和 RN4 為新的生長素的類似物，并解析了其通過影響 AUX/IAAs 的結(jié)合，從而影響生長素下游響應(yīng)，并調(diào)控頂端彎鉤形成的分子機(jī)理。研究結(jié)果有助于加深對生長素的認(rèn)識，豐富了生長素信號傳導(dǎo)的內(nèi)容。

參考文獻(xiàn)

[1]. Teichmann T, Muhr M (2015) Shaping plant architecture. Front Plant Sci 6:233.

[2]. Wolters H, Jürgens G (2009) Survival of the flexible: Hormonal growth control and adaptation in plant development.Nat Rev Genet10:305–317.

[3]. Calderon-Villalobos LI, Tan X, Zheng N, Estelle M (2010) Auxin perception—Structural insights. Cold Spring Harb Perspect Biol 2:a005546

論文原文鏈接：

https://www./content/early/2019/03/07/1809037116