揭示生长素可调节的振荡回路驱动植物根钟的分子机制

来源：植物生物学

2021年1月1日，Science Advances 在线发表了西班牙生物技术和植物基因组学中心Miguel A. Moreno-Risueno团队的题为An auxin-regulable oscillatory circuit drives the root clock in Arabidopsis 的研究文章。发现了拟南芥根钟中形成负调控环路的振荡器的关键元件AUXIN RESPONSE FACTOR 7，揭示了生长素可调节的振荡回路如何驱动植物的根钟机制。

植物和动物都可以通过涉及振荡基因表达的发育时钟来调节生长发育模式。在拟南芥中，根钟通过大约每6小时振荡一次的基因表达来建立分支前部位(PBS)，从而决定沿主根轴的器官间距。然而，根钟的周期性可以在特定的环境条件下或通过补充植物激素生长素而变化。通过DR5：：荧光素酶生长素报告基因的表达模式，基因表达的振荡在振荡区(OZ)中以传播波的形式出现在两个相反的阶段：同相和反相。其中，同相基因的表达在臭氧中被激活时，反相基因的表达被抑制，反之亦然。在细胞水平上，PBS的形成通常为通过启动中柱细胞来促进侧根(LR)细胞起始，随后，LRs通过不定根创始细胞（founder cells）的分裂起源于PBS。

细胞程序性死亡被认为是为了将生长素释放到臭氧中来控制根时钟的周期性。此外，来自侧根冠(LRC)的生长素和AUX/IAA因子IAA28调节DR5：：荧光素酶的振荡和PBS的形成。然而，在OZ中如何确定同相和反相振荡的周期以确定PBS间距还没有得到解决。

本研究，作者通过携带DR5：：荧光素酶和随后LR器官发生标记的植物中进行了突变筛选[pWOX5：：ER-YFP和PSCR：：ER-GFP），鉴定到了一个突变体IAA18，其中IAA18基因编码序列中的胞嘧啶变为胸腺嘧啶，导致DII结构域中的亮氨酸取代了102位的脯氨酸。它在OZ和PBS中的DR5：：荧光素酶表达增加，分布在初级根轴上，没有规则的间距(图1A)。对突变体中同相基因振荡的时间历程分析显示，在OZ中有持续的信号，没有典型的6小时振荡行为，从而导致异常的PBS间距(图1、B和C)。在这个突变体中导入LR创始细胞的一个特异性标记，表明大多数中柱细胞已经被分化为创始细胞(图1D)。由于这种形成PBS和LR创始细胞的能力得到了增强，作者将该突变体命名为potent。该表型表明，根系时钟功能在很大程度上受到损害，从而导致更多的启动和异常的LR前置模式事件。

图1 IAA18/potent 调节根钟振荡和LR启动

紧接着，作者确认ARF7-1突变体的根钟功能在OZ中受到损害，导致了前置图案的改变，这与IAA18/potent突变体的表型相似。AUX/IAA蛋白是生长素反应因子(ARFs)的抑制剂。ARF7是ARF家族的成员，已被证明参与PBS的形成、根水纹形成和LR的启动。

图2 ARF7和IAA18/potent 共同调节根时钟

由于IAA18/potent和ARF7-1根在LR前构型中表现出相似的变化，并且ARF7和IAA18/Potent在酵母中相互作用。通过荧光素酶信号的重组，证明了IAA18/Potential和ARF7在OZ和Shotward引发区的二聚化(图2e)，且可能是因为IAA18/potent抑制了臭氧中的ARF7活性，使得异源二聚体的形成降低了振荡的抑制。同时，也证实了IAA18/Potent(或iaa18/Potent-IAA18P102L)和ARF7相互作用不需要SUMO化。

进一步，作者发现IAA18/potent在OZ中的表达被生长素激活，外源生长素施用后，OZ中IAA18/potent水平会发生变化。ARF7的基因表达和ARF7蛋白水平则不受外源生长素的影响。

为了了解IAA18和ARF7通路形成的动力学(图3A)，根据从实验数据推断的参数，建立了导致PBS形成的LR引发的计算机模型。除了使用实验得出的模型参数外，还进行了敏感性分析，发现ARF7-IAA18回路对ARF7合成速率和生长素周转最敏感。这些发现与实验观察所表明的ARF7在调节振荡行为和PBS形成中的重要性是一致的。此外，生长素稳态在ARF7-IAA18回路中的重要性可以解释为什么OZ中过量的生长素可以导致LRS的诱导。我们发现，该模型需要一个额外的假设因子(F)同相或由生长素激活，以解释当根被不同生长素浓度处理时，观察到的IAA18/潜在蛋白质降解在OZ中的缓冲。预测表明，这种新的成分调控ARF7-IAA18异源二聚化，产生一个依赖生长素的反馈环，从而促进生长素反应(图3A)。

图3. 工作模型预测ARF7-IAA18/Potent回路动态响应环境变化的机制

综上，确定了拟南芥根中在振荡区形成负调控环路的振荡器的关键元件AUXIN RESPONSE FACTOR 7，通过与实验数据拟合的多层次计算机模拟，解释了基因表达振荡如何与细胞分裂和生长相协调，从而产生器官间距的周期性模式。该工作展示了强大的生物钟背后的机制，展示了如何将振荡器定位在生长器官中，以创建周期性器官发生的强健模式。