基本信息
主題：生長素通過改變細胞pH來調(diào)節(jié)根系生長響應(yīng)環(huán)境變化
期刊：International Journal of Molecular Sciences
影響因子：4.556
研究使用平臺：NMT植物激素創(chuàng)新平臺
標(biāo)題：Antagonistic cell surface and intracellular auxin signalling regulate plasma membraneH+-fluxes for root growth
作者：奧地利科技學(xué)院Ji?í Friml、Lanxin Li、Inge Verstraeten
檢測離子/分子指標(biāo)
H+
檢測樣品
6日齡擬南芥幼苗根伸長區(qū)（距根尖頂端450 μm的根表上的點）
中文摘要（谷歌機翻）
生長調(diào)節(jié)使植物的發(fā)育與環(huán)境相適應(yīng)。一個例子是植物生長對重力的適應(yīng)，地上部分向上彎曲，根向下彎曲。這種矛盾是基于對植物激素生長素的不同響應(yīng)，生長素通過一種尚不清楚的細胞機制促進了地上部分的細胞擴張，而抑制了根的細胞擴張。本研究通過對擬南芥進行微流控、活體成像、基因工程和磷酸化蛋白質(zhì)組學(xué)分析，揭示生長素如何抑制根系生長。研究發(fā)現(xiàn)，生長素激活兩條截然不同的、拮抗作用的信號通路，它們匯集于質(zhì)外體pH的快速調(diào)節(jié)上，是生長的直接決定機制。細胞表面的TRANSMEMBRANE KINASE1（TMK1）與質(zhì)膜H+-ATPases的磷酸化和活化相互作用，介導(dǎo)質(zhì)外體酸化，而細胞內(nèi)TIR1/AFB介導(dǎo)的信號傳導(dǎo)則觸發(fā)細胞凈的H+內(nèi)流，引起質(zhì)外體堿化。這兩種對抗機制的同時激活，為環(huán)境的微妙變化提供了快速、微調(diào)的生長調(diào)節(jié)的根源。
離子/分子流實驗處理
10 nM IAA實時處理
離子/分子流實驗結(jié)果
根伸長區(qū)表皮細胞伴隨著質(zhì)外體pH的升高和細胞內(nèi)pH的降低，表明生長素能引起細胞內(nèi)H+的內(nèi)流。
圖1. 擬南芥根伸長區(qū)吸H+速率。正值代表吸收，負值代表外排。
圖2. 擬南芥根伸長區(qū)H+檢測圖
其他實驗結(jié)果
· 生長素誘導(dǎo)的根系生長抑制與質(zhì)外體pH迅速升高有關(guān)。
· 質(zhì)外體pH值是快速調(diào)節(jié)根生長的原因。
· 生長素可以迅速磷酸化并激活根部質(zhì)膜H+-ATPases。
· H+-ATPases激活可以抵消生長素介導(dǎo)的質(zhì)外體堿化和生長抑制。
· TMK1與H+-ATPases相互作用。
· TMK1活性介導(dǎo)生長素對H+-ATPases的磷酸化和激活作用。
TIR1/AFB和TMK1信號在質(zhì)外體pH和生長調(diào)節(jié)上呈拮抗作用。
結(jié)論
本研究結(jié)果對植物如何調(diào)控根系生長這一由來已久的問題提供了新的見解。特別是，本研究解決了植物激素生長素對地上部分和根生長調(diào)控相反的這個問題，也闡明了生長素介導(dǎo)根生長抑制下游細胞的機制。
生長素利用細胞內(nèi)TIR1/AFB受體下游信號通路的非轉(zhuǎn)錄分支快速調(diào)節(jié)根系生長。這一途徑介導(dǎo)質(zhì)外體堿化，研究認為這是根生長調(diào)節(jié)的直接、誘導(dǎo)性的細胞機制。這一發(fā)現(xiàn)補充了經(jīng)典的“酸生長理論”，即低質(zhì)外體pH促進生長。本研究證明了這一機制對生長抑制的有效性，表明根的生長速率是由質(zhì)外體pH值變化直接、可逆地決定的。值得注意的是，生長素介導(dǎo)的根中質(zhì)外體堿化并不像在地上部觀察到的那樣通過調(diào)節(jié)PM H+-ATPases而產(chǎn)生的，而相同的TIR1/AFB生長素感知機制導(dǎo)致PM H+-ATPases激活和質(zhì)外體酸化。
而在根部，PM H+-ATPases則通過細胞表面TMK1受體樣激酶為基礎(chǔ)的生長素信號進行磷酸化和激活，從而導(dǎo)致質(zhì)外體酸化，促進根部生長。這種機制與更主要的TIR1/AFB介導(dǎo)的堿化作用相反，構(gòu)成了一種負反饋，可能是微調(diào)根系生長，以便能夠迅速響應(yīng)環(huán)境刺激的細微變化。
剩下的關(guān)鍵問題是：（i）如果不被PM H+-ATPases所介導(dǎo)，TIR1/AFB信號途徑是如何介導(dǎo)根系堿化的？可能的情況是PM的H+通透性迅速增加，這可能是由TIR1/AFB激活的Ca2+信號介導(dǎo)的，并可能影響質(zhì)外體pH和膜電位。TMK1途徑的生長素感知機制是什么?是生長素直接激活TMK1，還是通過另一個尚待鑒定的相關(guān)生長素受體？
基于細胞表面的TMK1激活H+泵和細胞內(nèi)的TIR1/AFB信號導(dǎo)致細胞內(nèi)H+凈內(nèi)流，這兩種由生長素觸發(fā)的拮抗機制共同作用于細胞外pH的調(diào)節(jié)，直接決定根系的生長速率。這似乎適得其反的同時，“油門和剎車”作用可能會使根尖在復(fù)雜土壤環(huán)境中，響應(yīng)眾多脅迫，快速靈活地改變生長速度和方向。
測試液
0.5 mM KCl, 0.1 mM CaCl2, pH 5.8
文章原文：https://www.researchsquare.com/article/rs-266395/v1
關(guān)鍵詞：生長素；H+泵；質(zhì)外體；酸化；生長調(diào)節(jié)