生长素信号转导研究进展

来源：BioArt植物

作者：冯寒骞，李超（华东师范大学）

来源：生物技术通报

生长素（Auxin）一词来自于希腊语，其意为生长。生长素的作用最早由达尔文所描述，当植物组织的顶端感受到光信号或重力信号后，某种刺激物质会被运送到其他组织，促使向光和向重力反应的发生。随后，琼脂块扩散实验发现其能够从植物组织中扩散分离出来，并依然具有促进生长的活性［1］。

生长素在植物生长发育过程中起着核心作用。吲哚-3-乙酸（IAA）是植物中生长素最主要的形式。生长素通过调节细胞生长、细胞分裂以及细胞特异性的分化来参与一系列生长发育过程，如胚胎极性建成、维管束分化、顶端优势以及向光反应、重力响应等过程［2］。在细胞生长水平，生长素处理 10 min 之后就会诱导质膜上的 H+-ATP 酶的磷酸化，钾离子通道表达量的上调，以及细胞壁松弛蛋白expansin 的激活，从而促使胚芽鞘或下胚轴细胞的快速生长［3-4］。

对生长素信号的研究主要包括 3 个方面：一是，生长素的合成和代谢［5］；二是，生长素的极性运输［6］；三是，生长素的信号转导。生长素的合成和极性运输控制着植物不同组织的生长素水平。生长素由色氨酸作为底物起始，经多条途径进行合成，其中最重要的是吲哚-3-丙酮酸（Indole-3-pyruvate，IPA）合成途径［7］。这一途径分为两步，主要由色氨酸氨基转移酶 TAA1 和黄素单加氧酶 YUCCA 来负责［8-9］。GH3 家族基因引起生长素和氨基酸结合，从而控制体内生长素的水平［10］。生长素在细胞间的极性运输主要通过几个生长素转运体家族基因完成。生长素的极性转运对于植物生长发育至关重要，生长素在特定的组织合成后，转运到靶点组织和器官发挥功能。AUX1 共转运体负责生长素由胞外向胞内的内流运输［11］，PIN 家族负责生长素由胞内向胞外的外流运输，而ABCB/PGP 可以双向运输生长素［12-13］。生长素转运体响应环境和发育信号，其表达量和亚细胞定位发生变化，从而建立特异的浓度，调控特定的发育和环境信号响应过程。生长素的信号转导控制着组织和器官对生长素的反应。目前发现了 3条生长素信号转导通路：Aux/IAA-TIR1 核信号通路，细胞表面起始的信号通路和 SKP2A 介导的信号通路。其中 Aux/IAA-TIR1 核通路介导了生长素的转录调控机制，细胞膜表面起始的信号通路介导了生长素的快速响应。本文将重点阐述生长素的信号转导机制，并讨论和展望其研究前景及面临的挑战。

1 生长素信号：Aux/IAA-TIR1-ARF 信号通路及转录调控

外界生长素浓度的变化信号经细胞感受和识别后，引起大量基因转录水平的变化［14］。早期生长素响应基因的表达水平在生长素处理几分钟后就明显上升，这些基因可以分为 3 个家族：SAUR、GH3 和Aux/IAA。SAUR 基因产生的是一类高度不稳定的转录本，包括 70 多个成员。GH3 家族编码的是一类催化生长素和氨基酸进行偶联的酶。GH3 负责生长素的反馈调节，从而控制胞内生长素的稳态。Aux/IAA在生长素响应基因的表达调控过程中起着核心作用。拟南芥中存在 29 个 Aux/IAA蛋白，其编码一类短周期的核蛋白，该家族多数成员作为生长素诱导基因的抑制因子发挥功能［15］。Aux/IAA 与生长素响应因子发挥作用（Auxinresponse factor，ARF）形成二聚体，从而抑制 ARF 的转录调节功能的行使。而 ARF类转录因子，能够结合到生长素诱导基因的顺式作用元件上，调控其转录表达［16］。

 TIR1 最早通过遗传筛选的方法鉴定得到。tir1突变体在下胚轴伸长和侧根形成等生长素调节的发育过程方面存在缺陷［17］。TIR1 是一个 F-box 蛋白，其通过 F-box 基序与 Skp1 类似蛋白 ASK 相互作用，进而与 Cullin 类似蛋白 CUL1 相互作用，从而形成泛素连接酶（E3）复合体 SCFTIR1［18］。生长素能够稳定 TIR1 和 Aux/IAA蛋白的第二个结构域（DomainII）的相互作用，介导了转录抑制子 Aux/IAA蛋白的降解，从而将 ARF 从 Aux/IAA-ARF 二聚体中释放出来［19-20］。不同的TIR1/AFBs 和Aux/IAAs 配对组合的结合活性差异很大，这使得 Aux/IAA蛋白具有一系列不同的半衰期，能够响应不同浓度的生长素，并呈现差异化的反应。

 2 生长素核信号通路的新进展

 2.1 生长素信号转导研究的工具

对于生长素信号的研究，其中很关键的是如何动态地检测不同组织在发育过程中生长素的分布和信号强弱。在植物中常用于检测生长素分布的工具是基于 DR5 启动子的一系列报告基因。DR5 启动子中包含众多 ARF 转录因子的结合位点，从而能够响应生长素信号［21］。DR5 启动子作为生长素信号的输出端，其活性不仅与內源生长素的分布有关，同时也受到生长素信号的控制。在此基础上，对 DR5启动子进行改造，开发出了 DR5v2 启动子。相比DR5，DR5v2 在更多的植物细胞中能够更加准确地反映出生长素的水平，如胚胎发生过程中的子叶和维管组织、根表皮细胞和中柱细胞等［22］。作为生长素的诱导基因，GH3∶GFP 同样被用于指示生长素的浓度和生长素的信号强弱［23］。

 Aux/IAA 蛋白水平的变化直接反映了体内生长素浓度的变化。将 Aux/IAA蛋白 IAA28 的 DII 结构域和黄色荧光蛋白 VENUS 构建为融合蛋白，以 35S启动子驱动，并在植物体内进行表达，发现 DIIVENUS 的荧光强度能够灵敏地反映根尖和冠部顶端分生组织中的生长素浓度，以及重力响应过程中根部生长素浓度变化［24］。目前，DII-VENUS 被广泛用于对多种植物生长发育过程中生长素分布及响应的研究［25-26］。

 2.2 26S蛋白酶体调控途径

生长素通过 26S 蛋白酶体介导的降解途径来降解 Aux/IAA 蛋白。26S蛋白酶体受到多种信号蛋白的调控。RAC/ROP GTP 酶引起Aux/IAA-SCFTIR/AFBs-26S proteasome 复合体的形成，从而使得 Aux/IAA 蛋白被降解［27］。高温能够增加TIR1 蛋白的积累，该过程依赖于分子伴侣 HSP90。HSP90 与 SGT1 均与TIR1 相互作用。抑制 HSP90 的活性使得 TIR1 被降解，并引起一系列生长素缺陷表型［28］。在哺乳动物中，PI31 是一个被广泛研究的蛋白酶体的抑制因子。最近的研究表明，拟南芥中 PI31 的同源基因 PTRE1参与 Aux/IAA 复合体的形成。 ptre1 突变体中生长素信号的传递受到抑制，多数 IAA 基因的表达量下降，DR5：GFP 的荧光强度降低。IAA7 和 IAA17 的蛋白水平的表达量在 ptre1 突变体中上升，在 PTER1 的过表达中下降。PTRE1 能够与 IAA 蛋白的 DII 结构域相互作用。生长素处理能够促使 PTRE1 蛋白由内膜系统向质膜的转移［29］。这些研究结果表明，生长素通过 PTRE1 来调控蛋白酶体的活性，从而控制Aux/IAA 蛋白的稳态和生长素的响应。

 2.3 LTR2调控Aux/IAA蛋白的异构化

研究发现，水稻中的 LATERAL ROOTLESS2（LRT2）是一个亲环素类型的肽基脯氨酰顺反异构酶，介导了水稻 OsIAA11 的肽基脯氨酰异构化，从而调节 OsIAA11 的稳定性。 lrt2 突变削弱了 OsTIR1和 OsIAA11 的相互作用，导致OsIAA11 蛋白在体内更多的积累。OsIAA11 的突变能够部分恢复 lrt2突变体的侧根发育的表型［30］。LRT2 能够促进 Aux/IAA 蛋白的降解，从而传递生长素信号。2.4 NO影响生长素核信号通路一氧化氮（NO）作为植物中的第二信使，参与多种植物激素的信号转导过程。外源生长素处理能够诱导 NO 在不定根、侧根以及根毛的形成过程中积累［31-32］。NO 含量的增加能够增强生长素响应基因的表达，而 NO 的清除能够抑制 Aux/IAA 蛋白的降解。进一步研究表明，NO 通过对 TIR1 的 140 位半胱氨酸进行亚硝基化修饰来调节 TIR1-Aux/IAA 的相互作用从而影响Aux/IAA 的降解［33］。这些研究结果表明，NO 能够响应生长素信号，调节 TIR1/AFBAux/IAA-AFB 信号途径，从而影响生长素引起的形态建成。

 3 细胞表面起始的生长素信号通路

 3.1 生长素的快速响应现象

TIR1/AFB-Aux/IAA-ARF这一核内信号通路清晰地解释了生长素的感受、传导和响应过程，然而，细胞内存在着一些生长素的快速响应。生长素处理引起的细胞膜的去极化、离子的跨膜流动、细胞的快速长大、根部的钙信号震荡等等往往发生在生长素处理后数分钟内［34］。这些生长素的快速响应很难通过转录调控来实现，所以细胞表面起始的生长素信号通路存在的可能性被提出［34］。

 3.2 生长素与氢离子泵活性调控

20世纪 70 年代，学者们提出细胞的酸生长理论，即生长素通过激活细胞膜上的 H+-ATP 酶，酸化细胞壁，从而促进细胞生长［35］。研究发现，生长素处理促进 H+-ATP 酶的磷酸化（对应AHA2 的 947 位苏氨酸）［36］。磷酸化的 H+-ATP 酶能够与14-3-3 蛋白结合，从而激活 H+ 转运的活性［37］。黑暗生长的下胚轴经生长素处理 10 min 后开始明显的快速生长。钒酸盐作为 H+-ATP 酶的抑制剂，会明显抑制生长素处理引起的下胚轴的生长，表明 H+-ATP 酶的活性对于下胚轴的生长是必需的。生长素处理 10 min 后H+-ATP 酶的 947 位苏氨酸磷酸化明显加强，并在 20min 达到峰值。生长素处理并不影响 H+-ATP 酶的转录水平的表达，却会引起钾离子通道 KAT1 的表达上调，表达钾离子通道在生长素调节下胚轴生长过程中同样起作用［36］。

 3.3 SAUR调控生长素响应

Smallauxin-up RNA（SAUR）是生长素快速响应基因，这一家族在拟南芥中有 79 个成员，其中SAUR19 和 SAUR63 被发现是细胞生长的正向调节因子［38］。过表达 SAUR19 使植物呈现出下胚轴伸长、叶面积增加、顶端弯钩的缺陷和向性反应改变等生长素相关缺陷。而通过人工 microRNA 干扰的方法降低SAUR19 的表达水平，幼苗则呈现下胚轴变短和叶面积变小的表型。进一步研究表明，SAUR 过表达引起的下胚轴伸长与质外体 pH 的下降有关［39］。SAUR19 促进 H+-ATP 酶C 末端自我抑制区的磷酸化，从而激活 H+-ATP 酶的活性。SAUR19与 PP2C-D 相互作用并抑制其活性，而 PP2C-D 则直接作用并抑制质膜上的 H+-ATP 酶的活性。因此，生长素可能通过转录上调 SAUR19 的表达量，并抑制PP2C-D 的活性，使得 Thr947 被磷酸化的H+-ATP 酶的数量增加，质外体酸化，细胞壁松弛，引起细胞生长［39］。

 3.4 RAC/ROP与生长素信号通路

生长素能够激活小 G 蛋白 RAC/ROP，从而促进生长素响应基因的表达。在原生质体中过表达正常形式以及持续激活形式的烟草 RAC/ROP，能够激活生长素响应基因的表达；而过表达显性抑制形式的 NtRAC1、RAC 的负调节因子，或降低內源的 NtRAC1 的表达量，则会抑制生长素响应基因表达［40］。在植物体内过表达 NtRAC1 或抑制內源RAC/ROP的表达使得转基因材料呈现生长素信号的缺陷表型。生长素激活 RAC/ROP，并招募Aux/IAA蛋白形成含有 SCFTIR1 和26S 蛋白酶体的具有降解活性的蛋白小体，从而调控生长素信号响应［26］。

 生长素调控叶片铺板细胞的极性生长。生长素合成突变体 yucca1/2/4/6 的子叶铺板细胞的极性交错分布明显弱于野生型。ROP2 和 ROP4 的双突变体ROP2RNAi rop4-1 呈现与 yucca1/2/4/6 类似的铺板细胞表型。外源 NAA 处理能够恢复 yucca1/2/4/6 的铺板细胞生长缺陷，却不能恢复 ROP2 RNAi rop4-1 的表型，表明 ROP2 和 ROP6 调控生长素介导的叶片铺板细胞的极性发育［41］。

 研究发现，受体激酶 FERONIA（FER）通过跟ROPGEF1 直接相互作用而激活下游的 ROP2 信号通路。 fer-4 突变体呈现一系列细胞生长缺陷的表型，包括根毛、表皮毛和铺板细胞发育的缺陷。FER 突变同时也影响了植物对生长素的响应。外源 NAA 处理使得野生型的根毛数量变多，长度增加，根部和根毛的 ROS 信号增强。而 fer-4突变体在NAA 处理后根毛没有明显的变化，且根部的 ROS 含量没有明显的增加。通过在 fer-4突变体中外源回补FER 基因则能够恢复对生长素的响应［42］。磷脂酰肌醇锚定蛋白 LORELEI like GPI-anchored protein1（LLG1）的突变体也被发现具有跟 fer-4 相似的生长素不敏感以及其他生长素相关的表型。进一步的研究发现，LLG1作为 FER 的伴侣蛋白协助 FER 由内质网向细胞膜的转运，并作为共受体参与 FER 感受胞外信号［43］。这些结果表明 FER/LLG1 复合体通过激活ROP 途径而影响 ROS 的产生，从而调控根毛的发育。

 3.5 ABP1/TMK信号通路

寻找并鉴定质膜及内膜所介导的生长素信号通路同样是当前的研究热点。生长素结合蛋白（Auxinbinding protein 1，ABP1）被鉴定到能够结合生长素，且对 NAA 的亲和力高于 IAA［44］。ABP1 对 NAA 的结合能力在 pH 5.0 至5.5 的条件下最高，在 pH 7.0时候结合能力弱。多数 ABP1 蛋白定位于内质网，而部分 ABP1 蛋白会从内质网上释放，并转运至质膜。ABP1 能够与 TMK 相互作用，且生长素可以增强二者的互作［45］。关于 ABP1 体内功能的研究一直受阻于没有完全敲除的突变体。通过 TILLING 方法获得的突变体 abp1-5 被广泛用于 ABP1 功能的研究。然而，后续的研究发现， abp1-5的发育缺陷表型与突变位点并不连锁，表明这些表型差异可能是由其他位点的突变造成的。通过基因组测序，发现 abp1-5 中存在众多 SNP 突变，包括光敏色素 phyB 的缺失突变［46］。此外，ABP1的 CRISPR 敲除突变体 abp1-c1和 T-DNA插入突变体 abp1-TD1 相比野生型并没有呈现明显的生长素信号缺陷相关表型［47］。因此，对于 ABP1 是否是生长素的受体需要进一步的研究。

 4 SKP2A 与生长素介导的细胞周期调控

 SKP2A是一个 F-box 蛋白，SKP2A 通过促进细胞周期的转录调控因子 E2FC 和 DPB 的降解来调控细胞周期的进程。生长素能够引起 E2FC 和 DPB，以及 SKP2A 自身的降解。放射性 IAA 的结合实验证明 SKP2A 具有生长素结合活性［48］。对于该信号通路的研究还有待于进一步深入研究。

 5 生长素信号通路进化的保守性

 生长素信号通路是何时出现的，并如何在植物进化的过程中不断由简单到复杂进行演化？苔藓植物是最早进化出的陆生植物，其中小立碗藓被广泛应用于分子生物学研究。基因组测序和生物信息学分析结果显示，关于生长素的合成、运输、感受及信号转导相关的关键调控基因在小立碗藓中同样存在。而 PpIAA 与 PpAFB 相互作用，并且 PpAFB 的 RNAi 突变体呈现生长素不敏感的表型［49-50］。在地钱当中，同样存在着TIR1/AFB-Aux/IAA-ARF 信号通路，这些信号组分调控地钱的细胞生长和分化［51］。这些研究结果表明最早的陆生植物已经具备了生长素的核心信号通路。

 6 展望 

植物分子生物学的研究为理清生长素信号转导机制提供了大量的证据。然而，对于信号转导机制方面依然有许多问题需要解决。

 （1）TIR1/AFB-Aux/IAA-ARF 复合体呈现出复杂的调控层次和模式，对其深入探索将有助于完整阐述生长素核内信号通路和彻底解析生长素信号通路对于特异生长发育过程的调控。其中，TIR1/AFB蛋白的翻译后修饰、Aux/IAA 蛋白的构象转变和稳定性和 ARF 蛋白的转录活性调控是值得关注的研究方向。

（2）生长素对细胞生长的作用随浓度变化而反应不同。低浓度的生长素促进细胞生长，而高浓度的生长素会抑制细胞生长。另外，生长素对于根部和冠部细胞的生长呈现相反作用，并且表现出很大的敏感性差异。外源施加微摩尔浓度的生长素会促进冠部细胞的生长，而低至纳摩尔浓度的生长素对根细胞的生长具有明显抑制作用。这些复杂的生长素调控模式的分子机制有待于进一步的研究。

（3）对于生长素的快速响应机制，目前在细胞膜去极化、跨膜离子流动、钙信号震荡、原生质体快速生长等方面已经积累了大量的研究成果。然而对这一响应过程中生长素是如何被感知并传导，目前尚不清楚，在这一方面，生长素受体的探究将是重要的环节。

来源：生物技术通报，由PlantReports公众号整理。

论文原文链接：

DOI：10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2018-0488