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【PNAS】研究揭示了生长素甲基化的新功能!

2018年6月13日,PNAS杂志在线发表了来自西班牙Miguel A. Blázquez课题组题为“Auxin methylation is required for differential growth in Arabidopsis”的研究论文。该论文发现了生长素甲基化受损时,极性生长素运输增加和生长素运输载体的再定位被破坏,导致生长素在重力刺激下不能正确的重新分配, 揭示了在感知重力的内皮层细胞中的甲基化的生长素(me-IAA)维持了生长素的特定浓度。


背景知识
   生长素不仅作为植物分化途径的关键形态发生组分,而且作为响应环境刺激的生长协调因子,其重要性不言而喻。比如最近我们公众号也报道生长素相关文章如:【Nature】重大突破!生长素浓度调控的机制被揭示!!PNAS|颠覆传统,生长素信号通路被重写等。其中尤其令人感兴趣的领域是生长素参与曲率产生的机制,例如黄化幼苗的顶端钩以及侧向照明或响应重力的组织重新定向生长。通常认为在上述过程中是植物通过体内定向运输生长素形成的,也称为极性生长素运输(PAT)。同时,PAT建立了生长素的不对称分布,导致同一组织里不同部分发生不同的长素应答.

   在向性反应如向光性和向量性的情况下,估计整个下胚轴的浓度差可以在1.5倍和2倍之间。这种微小的浓度差异足以引起不同的生长反应,这意味着生长素的水平必须很好地保持在一个特定的范围内。尽管生长素运输载体(PIN)在组织分布、细胞极性定位和基因表达的调节可能是维持局部生长素最大值的最重要机制,但如何保持浓度的差异和范围,应该有其他机制作为生长素稳态的调节。

   早在2005年,北京大学瞿礼嘉课题组在Plant Cell发表论文发现在拟南芥中异位过表达IAA羧甲基转移酶(IAMT)(该酶能将IAA转化为甲基-IAA(Me-IAA))会干扰下胚轴和根的向地性反应,同时引起的表型类似于生长素缺陷或生长素不敏感的突变体(见下图)。哪么Me-IAA在下胚轴向地性反应的作用及具体机制如何,现在仍然知之甚少。



方法与结果:
   第一,先选取两个T-DNA突变体iamt1-1和iamt1-2,通过测量体内的ME-IAA和IAA水平,证实了IAMT1编码IAA甲基转移酶,并暗示其他甲基转移酶的存在。Me-IAA的下降不伴随游离IAA水平的显着增加,表明Me-IAA在总IAA库中占很小的比例。另一方面,研究者选取了与极性生长素运输(PAT)相关的顶钩角和下胚轴向地性反应表型,研究表明iamt1突变体在顶端钩的形成或维持中没有显示任何严重缺陷。相比之下,突变体的下胚轴在重力刺激后重新定向的能力大大受损。

   第二,上述表型表明了IAMT1与下胚轴的生长素浓度分布有关引起,于是研究者观察iamt1-1突变体中游离IAA含量在重力刺激时局部生长素分布缺陷,该结果表明PAT的改变可能导致iamt1表型。

   第三,事实上,与野生型相比在iamt1-1突变体中,使用3H-IAA测量的沿着下胚轴的生长素运输几乎高出两倍。同时发现iamt1-1突变体重新定向后相对于野生型中的PAT增强。进一步通过添加转运抑制剂NPA后随着NPA剂量的增加,WT幼苗下胚轴的弯曲曲率逐渐减少。相反,低NPA剂量却促进iamt1幼苗的重新定向,而只有高浓度(10μM)的NPA能消除弯曲。进一步发现,iamt1突变体中PIN1,PIN2,PIN3和PIN7的转录水平至少提高了两倍。因此iamt1突变体中增加的PAT与其表型之间有因果关系,并且提高的机制可能是促进了PIN蛋白的表达。

   第四, WT的下胚轴在倒置刺激后引起PIN3向下胚轴上半部分内皮层细胞的内侧的逐渐不对称再分布,是解释产生弯曲的机制。该研究观察到iamt1-1突变体中的PIN3-GFP信号甚至在倒置刺激后6小时仍保留在内皮层细胞的外侧。同时发现了,如果在在内皮层细胞而不是表皮细胞中的特异表达IAMT1蛋白能够大部分恢复iamt1突变体表型,表明IAA甲基化在内皮层细胞起作用,进一步建立适当的极性生长素运输率。



    综上所述,该研究试图探讨了me-IAA在重力刺激的生长素不对称分布过程的作用。通过重力刺激生长素甲基化酶iamt1突变体后下胚轴的弯曲表型得到了破坏,同时进一步研究表明PAT在突变体中增加,其原因是在突变体中PIN蛋白的增加,并且进一步导致PIN蛋白未能在重力刺激后重新定位在内皮层细胞的内侧上,而是仍然定位到内皮层细胞外侧,因此,该论文发现了生长素甲基化受损时,极性生长素运输增加和生长素运输载体的再定位被破坏,导致生长素在重力刺激下不能正确的重新分配, 揭示了在感知重力的内皮层中细胞中的甲基化生长素维持了生长素的特定浓度。虽然具体机制未能解释清楚,但是文章也讨论了机制的可能性,Me-IAA既不模拟IAA对生长素共同受体复合物的反应,也不干扰IAA引起的反应,但是Me-IAA可以通过PIN传送并与IAA竞争,并且不太可能充当这些转运蛋白的变构抑制剂。

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