《自然》：調控植物生長的“秘密通道”

　　 生長素是植物中最早被發現也是最重要的激素，精準控制了一系列復雜的植物發育過程。正如“月滿則虧，水滿則溢”，生長素調控植物生長發育同樣遵循類似的規律。

　　近日，福建農林大學海峽聯合研究院園藝中心教授徐通達（原中國科學院分子植物卓越創新中心/上海植物逆境生物學研究中心研究員）課題組在模式植物擬南芥中，發現了受體蛋白激酶（TMK1）介導的生長素信號途徑調控植物差異性生長的分子機制，有望調控植物的農藝性狀。該研究近日在線發表于《自然》雜志。

　　一次意外的發現

　　早在19世紀30年代，科學家就發現生長素的功能具有典型的濃度效應。簡單來說，濃度較低的時候，生長素能促進植物的生長，但隨著濃度的升高，生長素卻開始抑制生長。

　　“植物組織中的生長素呈現濃度的梯度化分布，從而決定不同位置植物的發育模式。雖說高濃度生長素會抑制生長，但植物在某些局部位置可以巧妙利用這種高濃度生長素效應，來達到特殊的發育需求，比如植物幼苗破土過程中頂端彎鉤的形成等。”徐通達告訴《中國科學報》。

　　此項發現起始于一次意外的實驗現象。徐通達告訴記者，在一次實驗中，學生用高濃度生長素處理植物時，通過蛋白凝膠電泳發現，TMK1蛋白的下方多出了一條相對較小的條帶，這非常意外。他們后期通過質譜檢測的方法對該條帶進行分析，最終確認了TMK1蛋白被生長素誘導后能進行剪切。

　　基于這個發現，團隊成功解析了一條由高濃度生長素驅動的信號傳遞途徑，該途徑對植物幼苗頂端彎鉤的形成和維持起著至關重要的作用。那么，植物細胞是如何對不同濃度的生長素進行精確感知的？不同濃度生長素產生不同效應的分子機制又是什么？面對一系列接踵而至的問題，徐通達陷入了更深入的思考中。

　　調控頂端彎鉤新機制

　　頂端彎鉤對于雙子葉植物種子在土壤中順利萌發起著至關重要的作用。它的形成使得植物在出土過程中由彎鉤處的下胚軸優先接觸土壤，巧妙地保護子葉與頂端分生組織不受土壤機械摩擦的損害。

　　“在雙子葉模式植物擬南芥中，生長素在頂端彎鉤內側聚集造成局部高濃度的生長素，從而抑制細胞生長，最終導致內外側生長的差異并形成彎鉤的性狀。”論文第一作者、逆境中心—福建農林聯合培養博士生曹珉說，其發育過程為團隊研究生長素濃度效應的作用機制提供了很好的模型。

　　在此基礎上，團隊進一步全方位解析生長素調控雙子葉頂端彎鉤的發育機制。研究發現，高濃度生長素在彎鉤內側的聚集能夠促進類受體蛋白激酶家族成員TMK1蛋白的剪切，通過剪切后的蛋白將生長素信號傳遞到細胞質和細胞核中。

　　TMK1蛋白被剪切后的片段能夠直接通過磷酸化的方式，調控基因表達抑制因子IAA32/34蛋白，通過穩定IAA32/34蛋白來達到抑制基因表達的目的，從而在生長素聚集的地方抑制細胞生長。

　　因此，在高濃度生長素聚集的地方，基因表達受到抑制。“這與之前報道的正常濃度生長素能夠促進基因表達恰恰相反，也就解釋了低濃度和高濃度的生長素作用相反的現象。”曹珉說。

　　有望調控農藝性狀

　　徐通達表示，該成果的發現一方面揭示了生長素信號通路調控差異生長的新機制，另一方面為解決高濃度生長素抑制細胞生長提供了新方案。

　　“最重要的是，該機制的發現為我們深入理解動植物各種信號作用的濃度效應提供了全新的思路。”徐通達說，該研究首次報道了植物的類受體蛋白激酶可以通過剪切并轉移到其他亞細胞結構來進行信號傳遞，拓展了對植物類受體激酶作用機制的認識。

　　事實上，TMK同源蛋白的剪切現象在農作物中也有出現。團隊將在農作物中深入研究TMK同源蛋白剪切對作物生長發育及抗逆境脅迫的作用機制，并期待未來將其應用到農業生產領域中，通過調控生長素信號的輸入和輸出來精確調控植物的農藝性狀。