根分生组织状态维持所需的生长素水平取决于油菜素内酯的双功能

2021年8月20日，Current Biology在线发表了以色列理工学院生物系S. Savaldi-Goldstein团队题为“Auxin requirements for a meristematic state in roots depend on a dual brassinosteroid function”的研究论文。该研究揭示了油菜素内酯（BR）在组织间协调的分子基础，以及BR对生长素的双重作用是决定分生组织状态的重要调节因素。研究背景

根分生组织的维持取决于激素信号通路之间的相互作用。BR和生长素之间的互作控制着拟南芥根分生细胞的数量。据报道，BR既能促进生长素信号输入，又能抑制生长素信号输出。这种自相矛盾的分子作用是否同时发生以及它们在分生组织功能中的意义还有待确认和研究。

主要内容

为明确BR对分生组织中生长素水平和响应的影响，首先对芸苔素内酯（BL）处理植株表皮部位的YUC9表达以及生长素信号的输入和输出进行了量化，结果发现BR提高了根表皮中生长素的生物合成，由此，整个分生组织部位的生长素水平和生长素信号输入明显升高。而基于报告系统的表达模式观察表明，BR同时又抑制同一组织中的生长素信号输出。

为研究BR对分生组织功能的双重影响，在生长素生物合成抑制情况下鉴定分生组织对BR的响应。经BL处理后，WT植株的分生组织细胞数量虽略有减少，但IAA合成缺陷的wei2 wei7（色氨酸生物合成基因）突变体分生组织完全消失。生长素生物合成缺陷突变体yuc-q在BL处理后开显示分化，而YUC5基因的表达可维持yuc-q根部的分生组织完整性。利用生长素内源合成抑制剂Kyn和BL分别单独以及共同处理分析表明，BR介导的生长素合成的激活对于缓解其对生长素信号输出的相反影响至关重要，从而确保分生组织状态的维持。另外，生长素生物合成突变体wei8 tar2根分生组织的丢失可同样被BR合成抑制剂BRZ所抑制（图1），说明低BR水平提高了根分生组织对生长素的敏感性，这与上述BR双重功能相一致。

图1. 在BR缺乏情况下，由低生长素引起的分生组织损失被阻断已知根分生组织再生依赖于分生组织内生长素的生物合成，BL处理能够短时间内抑制分生组织再生，而外源生长素可以浓度依赖性方式减缓BL的这种抑制作用。因此，BR决定了分生组织维持和再生功能对生长素的需求。

表皮是BR调控生长素水平和响应的重要外部组织，为确认外部组织中的BR信号是否对分生组织的维持至关重要，建立了一组靶向表达bin2-1的WT株系，以选择性地抑制BR通路，结果发现，bin2-1在外部组织（WERpro和BRN2pro）的表达为bri1-like分生组织，表现为短细胞的宽分生组织。SHRpro驱动bin2-1在中柱中的高表达根系对BL和生长素水平的降低均表现出超敏反应，表明在这些根中存在较高水平的BL。此外，通过该组织特异性“bin2-1工具”分析也说明了BR内稳态是分生组织形态维持的一个重要决定因素（图2）。进一步分析显示，阻断表皮中的BR信号能够在很大程度上维持分生组织的完整性，而其他靶向bin2-1株系表现为分生组织分化表型。因此，外部组织中的BR信号对于其对生长素的双重作用必不可少，并且可能依赖于内部组织中BR稳态的调控以共同决定分生组织状态。

图2.  bin2-1组织特异性表达表明中柱BR调控自身稳态以及分生组织状态

一图解文

（A）BR信号既促进生长素合成又抑制生长素信号输出的双重作用对于分生组织的维持至关重要。外部组织中的BR信号是这种双重性所必需的，而内部组织的BR活性对于BR稳态调控必不可少。如果BR介导的生长素合成升高被阻断，分生组织将发生快速分化(A’)。低BR水平能够挽救由生长素合成的严重降低导致的分生组织的损失，同时伴随着生长素输出水平的升高(A”)。中柱BR信号的局部抑制解除了对BR生物合成基因的负反馈调控，BR合成增加以及表皮中BR信号强度升高，并使分生组织对低生长素水平敏感(A’’’)。（B）上述扰动结果表明，BR和生长素之间存在一个临界比（用圆圈大小表示）以维持分生组织状态。

深紫色：生长素生物合成和生长素信号输入；浅紫色：生长素信号输出；深绿色：外部组织BR信号；浅绿色：中柱BR信号。

图3. BR决定分生组织状态对生长素需求的机制模型