《自然》:调控植物生长的“秘密通道”

《自然》:调控植物生长的“秘密通道”

4月3日,
福建农林大学海峡联合研究院园艺中心,中科院上海逆境生物学研究中心徐通达教授团队在国际权威杂志Nature上发表题为“TMK1-mediated
auxin signalling regulates differential growth of the apical
hook”的文章,阐明了植物类受体蛋白激酶Transmembrane Kinase
1(TMK1)介导的生长素信号途径调控植物差异性生长的分子机制。

■本报见习记者 程唯珈

生长素作为植物最重要的激素之一调控了复杂的植物发育过程。生长素的不对称分布对顶端弯钩的形成和维持至关重要,但生长素是如何激活顶端弯钩处两侧的生长素信号通路,导致两侧细胞不对称生长的,相关研究仍然不清楚。

生长素是植物中最早被发现也是最重要的激素,精准控制了一系列复杂的植物发育过程。正如“月满则亏,水满则溢”,生长素调控植物生长发育同样遵循类似的规律。

不同浓度的生长素对植物的调控完全不同,但其浓度效应的作用机制目前尚不清楚。

近日,福建农林大学海峡联合研究院园艺中心教授徐通达(原中国科学院分子植物卓越创新中心/上海植物逆境生物学研究中心研究员)课题组在模式植物拟南芥中,发现了受体蛋白激酶介导的生长素信号途径调控植物差异性生长的分子机制,有望调控植物的农艺性状。该研究近日在线发表于《自然》杂志。

该项研究阐明了一条新的生长素-TMK1-IAA32/34信号通路,一方面揭示了生长素通过TMK蛋白剪切的方式从细胞膜向细胞质和细胞核传递信号的新模式,另一方面揭示了生长素通过非典型IAA蛋白调控植物生长发育的分子机制。该信号通路解释了局部高浓度生长素抑制生长的分子机制从而解释了顶端弯钩维持阶段内外侧差异性生长的调控机制。该工作为生长素信号通路的研究开拓了新的思路,拓展了新的方向。

一次意外的发现

早在19世纪30年代,科学家就发现生长素的功能具有典型的浓度效应。简单来说,浓度较低的时候,生长素能促进植物的生长,但随着浓度的升高,生长素却开始抑制生长。

“植物组织中的生长素呈现浓度的梯度化分布,从而决定不同位置植物的发育模式。虽说高浓度生长素会抑制生长,但植物在某些局部位置可以巧妙利用这种高浓度生长素效应,来达到特殊的发育需求,比如植物幼苗破土过程中顶端弯钩的形成等。”徐通达告诉《中国科学报》。

此项发现起始于一次意外的实验现象。徐通达告诉记者,在一次实验中,学生用高浓度生长素处理植物时,通过蛋白凝胶电泳发现,TMK1蛋白的下方多出了一条相对较小的条带,这非常意外。他们后期通过质谱检测的方法对该条带进行分析,最终确认了TMK1蛋白被生长素诱导后能进行剪切。

基于这个发现,团队成功解析了一条由高浓度生长素驱动的信号传递途径,该途径对植物幼苗顶端弯钩的形成和维持起着至关重要的作用。那么,植物细胞是如何对不同浓度的生长素进行精确感知的?不同浓度生长素产生不同效应的分子机制又是什么?面对一系列接踵而至的问题,徐通达陷入了更深入的思考中。

调控顶端弯钩新机制

顶端弯钩对于双子叶植物种子在土壤中顺利萌发起着至关重要的作用。它的形成使得植物在出土过程中由弯钩处的下胚轴优先接触土壤,巧妙地保护子叶与顶端分生组织不受土壤机械摩擦的损害。

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