【Nature】突破！生长素浓度调控的机制被揭示！

Nature杂志在线发表了来自瑞士洛桑大学C. S. Hardtke课题组和德国慕尼黑工业大学C. Schwechheimer课题组合作题为“A molecular rheostat adjusts auxin flux to promote root protophloem differentiation”。的研究论文。该论文发现了在原生韧皮细胞（PPSE）分化过程中BRX和PAX两个分子通过多种反馈调节控制生长素的浓度，从而在时间上精确促进PPSE的分化。我们公众号iPlants认为尽管该文发表已经有一段时间，但是该文的研究思路值得学习，故详细解读，推荐给大家！

背景知识：

正如我们所知，植物维管系统中有两种运输通道：1，木质部中的导管，由死细胞组成，负责水分和无机盐的运输；2，韧皮部中筛管，由活的高度特化筛分子组成，负责运输碳水化合物的运输。根据韧皮部的起源不同可以将其分为初生韧皮部和次生韧皮部。它们分别来源于原形成层和形成层分化而来的。初生韧皮部包括一个原生韧皮分子（Protopholoem sieve elements）、一个后生韧皮分子（Metaphloem sieve elements）和两个伴细胞（Companion cells）（见下图）。

图 1. 拟南芥初生根的组成图（横纵面）（Annu. Rev. Plant Biol. 2014. 65:607–38）

生长素一方面调控细胞分裂和促进细胞伸长，另一方面以其分布的浓度梯度影响植物个体及其器官的形态建成。化学渗透模型表明生长素处于质子态可自由扩散, 而离子态则需要膜定位的运输生长素的载体来主动运输。因此，生长素在组织中的流向由膜上运载蛋白决定。向胞内运输是AUX/LAX蛋白家族包括AUX1、LAX1、LAX2和LAX3; 向胞外运输为PIN蛋白家族和ABCB/PGP蛋白家族（见下图）。PIN蛋白家族在拟南芥中有8个成员, 其中PIN1、PIN2、PIN3、 PIN4和PIN7, 具有一个长的亲水环, 定位在细胞膜上, 且在细胞膜上是不对称分布, 负责向细胞外运输生长素。

图 2. 生长素运输模式图（Annu. Rev. Plant Biol. 2008. 59:443–65）

在拟南芥根尖中，通过PIN形成（PIN）蛋白质的极性运输生长素创造了维持干细胞生态位所需的局部生长素积累。因此在根组织中高浓度的生长素定位在根尖中的干细胞池位置。干细胞产生的子细胞在分化前，随着分裂的次数增加，生长素浓度也逐渐下降。但是伴随子细胞的分化，生长素水平会再次上升（见下图）。

图 3. 根各部分的生长素分布图（Nature volume482, pages103–106）

进一步研究表明原生韧皮分子（PPSE）比周围细胞显示出更高的生长素水平的积累，尽管相邻细胞仍保持分生组织能力（见下图）。那么高水平的生长素水平的作用是什么，会不会对PPSE的分化起到一定的作用呢？因此，该文章主要是探讨PPSE分化是否依赖于生长素活性，并且其中的分子机制又是如何？

图 4 PPSE比周围细胞显示出更高生长素水平

方法与结果：

第一，文章先回答了生长素是否对PPSE分化起作用？研究者构建了PPSE特异性表达基因CVP2启动子表达生长素响应因子的组成型活性变体MONOPTEROS（MPΔ）来模拟高水平生长素。结果显示了 CVP2 ::MPΔ加速了PPSE分化，表明了生长素决定了PPSE分化过程（见下图）。

第二，文章试图探索了哪些基因参与了PPSE细胞的生长素的梯度的形成？之前有文章报道， BRX是细胞膜极性定位，并在分化的PPSE中特异性表达。而在brx突变体中PPSEs不能分化。因此，BRX可能是介导PPSE分化中的因子。同时该研究进一步发现，在brx突变体中的PPSE与邻近细胞相比，生长素积累显着低于野生型。

接下来，该研究者通过IP-MS方法鉴定BRX相互作用物。其中，发现了D6PK和几种D6PK-LIKE（D6PKL）激酶以及PIN，其中鉴定到最多的D6PK-LIKE（D6PKL）激酶是AGC1-3（AT2G44830）命名PAX。综上所述，BRX和PAX蛋白激酶相互作用可能在PPSE中生长素梯度的形成中起作用。

第三，下一步就是通过遗传学的方法，验证PAX是否与BRX影响PPSE的分化？遗传数据显示pax突变体显示初生根生长减少，伴随PPSE分化缺陷。通过表达PAX-CITRINE融合蛋白，发现PAX在根部表现出细胞极性定位并与BRX共定位。同时通过其他实验证明pax突变体表现出类似brx突变体的表型，故PAX与BRX一起作用影响了PPSE的分化。

第四，既然PAX与BRX共定位和相互作用，那么它们之间作用的分子机制如何？遗传数据证实，brx表型在brx pax双突变体中未得到增强，表明brx对pax具有遗传上位性。进一步发现，在pax突变体的PPSEs细胞膜上BRX蛋白急剧下降，而反之并不受影响，说明了PAX介导了BRX在膜上的分布（见下图）说明了BRX抑制PAX，而反过来PAX又介导了BRX在膜上的分布，两者形成一个反馈调节。

第五，下一步研究者试图了解PAX和BRX是如何影响PPSE中生长素的积累？研究表明PAX激酶能够磷酸化PIN蛋白后激活其活性导致生长素流出，而BRX能强烈抑制这种刺激。另一方面生长素又能调控两者的活性，研究表明，高浓度的生长素能够抑制BRA在膜上的定位，而却对能使PAX的活性增加，进而增加PIN1的活性。因此，PAX的活性是受到生长素的微调是PPSE正确的分化的一个特征。

综上所述，PPSE分化与生长素梯度局部上升有关。同时PPSE分化中BRX和PAX蛋白激酶相互作用在质膜上，两者都表现为细胞极性定位，并且与PIN蛋白共定位。同时遗传学数据显示，brx和pax突变体都破坏了PPSE的分化。另一方面，PAX激活PIN介导的生长素流出，而BRX强烈抑制这种作用。而BRX质膜定位又取决于PAX，但生长素又负调节BRX与质膜结合并促进PAX活性。因此，在PPSE分化过程中BRX和PAX两个分子通过各种调节控制生长素的含量，从而在时间上精确控制PPSE的分化。

iPlants评:

生物体发育机制研究由于变化快，影响因素多，故一直是生物研究中最为复杂和困难的。在植物发育研究中，生长素介导的根部细胞的分化，已经研究较为清晰，但是仍然还有很多细节问题有待解决。该文为我们描述一个精确的调控机制，通过两个蛋白之间的作用，再加上生长素本身的作用，使得在发育各时间上精确控制生长素的浓度变成了可能。文章数据量大，但是主线清晰，是研究分子机制的好文，值得推荐！

微信加群