打破传统认知,中美科学家联合破解双子叶植物顶端弯钩的形成机制


打破传统认知,中美科学家联合破解双子叶植物顶端弯钩的形成机制

责编 | 王一


埋在土壤中的种子萌发后面临的重要挑战是幼苗需要对抗来自土壤的机械压力,成功破土而出进行光合生长。为了应对挑战,一方面,幼苗的下胚轴通过快速地向上生长,获得破土而出的动力;另一方面,下胚轴的顶端会形成一个称为“顶端弯钩”的结构,将脆弱的子叶和顶端分生组织弯向下生长。这种弯曲的结构,既能保证幼苗拥有一个相对坚硬的“钻头”冲破土壤,又能避免子叶和顶端分生组织在出土过程中与土壤直接冲撞而造成机械损伤。对于绝大多数双子叶植物而言,顶端弯钩的形成是成功出土的关键所在。早在1881年,达尔文父子合著的《The Power of Movement in Plants》一书中就对顶端弯钩的形成进行了初步探讨。之后的140年里,尽管顶端弯钩吸引了无数植物生物学家的研究兴趣,但其具体的发育形成机制一直是植物生物学领域的未解之谜。


打破传统认知,中美科学家联合破解双子叶植物顶端弯钩的形成机制

图1 A. 番茄和拟南芥的顶端弯钩;B. 双子叶植物幼苗出土模式图(图片来源互联网)


顶端弯钩是由于下胚轴顶部两侧的细胞差异性生长导致的。生长素的不对称分布是导致这种差异性细胞生长的原因:弯钩内侧高浓度的生长素抑制细胞生长,从而导致内侧细胞生长慢而外侧细胞生长快,使得下胚轴向内弯曲。因此,本质上来讲,顶端弯钩的形成是生长素对植物细胞生长的差异性调控问题。作为一种生长类调节激素,生长素最重要的作用之一在于调节植物细胞的生长/大小(cell expansion/cell size),这也是生长素名字(auxin)的由来。生长素对植物细胞大小的调节具有严格的组织和浓度依赖性。一般来说,高浓度生长素抑制细胞生长而低浓度生长素促进生长。在生理浓度范围内,生长素在地下部分(root)抑制细胞生长而在地上部分(shoot)促进细胞生长,这也是植物的不同器官具有不同重力反应(根具有正重力反应向下生长,而茎具有负重力反应而向上生长)的生理基础(延伸阅读:Annual Review of Plant Biology | 生长素调控细胞生长的分子机理)。


如前所述,幼苗出土过程中需要下胚轴的快速伸长和顶端弯钩的形成。有意思的是,生长素在下胚轴中促进细胞生长而在顶端弯钩内侧抑制细胞生长。生长素是如何在临近的部位发挥完全相反的作用呢?此外,弯钩为什么只能在下胚轴顶部形成?触发高浓度生长素在弯钩内侧积累的信号是什么?这些生长素又是通过何种机制抑制细胞生长的?这些谜团长期制约着人们对于一个基础性问题的理解,那就是顶端弯钩到底是如何发育形成的?2022年1月12日,美国明尼苏达大学William Gray实验室和中科院遗传与发育生物学研究所李传友实验室合作在Science Advances发表题为Biphasic control of cell expansion by auxin coordinates etiolated seedling development 研究论文,系统回答了这一悬而未决的问题。


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研究人员首先发现,在幼苗发育的早期,与传统认为“生长素促进地上部分(shoot)细胞生长”的观点不符,下胚轴中高浓度的生长素抑制细胞生长。之后,随着下胚轴细胞的快速生长和体积变大,高浓度的生长素逐渐被稀释到一个相对较低的浓度,转而促进细胞生长。这种生长素介导的由抑制转为促进的生长调控使得下胚轴经历两个不同的伸长阶段,即早期速度慢而晚期速度快。早期的慢速生长恰好为顶端弯钩的形成提供了一个发育窗口。后续研究表明,重力是触发幼苗顶端弯钩形成的起始信号。在生长素抑制细胞生长的早期慢速生长阶段,重力诱导高浓度生长素在下胚轴的下侧(靠近地面一侧)积累,导致该侧细胞的生长抑制得以加强,而另一侧的生长抑制得以缓解。因此,此时的下胚轴像根一样具有正重力反应而向下弯曲生长,进而启动弯钩的形成(图2)。进一步,随着下胚轴细胞由基向顶的快速生长,底部细胞先于顶部细胞生长变大,使得这些细胞内的生长素浓度也先于顶部细胞被稀释到一个相对较低的浓度(低于生长抑制的阈值)。这种生长素浓度的降低导致其对细胞生长的调控作用由抑制转变为促进,相应地,下胚轴底部的重力反应也由正变负转而向上直立生长(图2)。与此同时,顶部细胞因仍具有较高的生长素浓度而保持正重力反应向下弯曲(顶端弯钩)。随着越来越多的下胚轴细胞由基向顶地转入直立向上的生长阶段(负重力反应),顶端弯钩获得快速向上的动力,最终帮助幼苗破土而出。


文章最后,研究人员揭示了顶端弯钩内侧高浓度生长素抑制细胞生长的分子机制。长期以来,酸生长(acid growth)被认为在生长素介导的生长调控中发挥重要作用。该团队之前的研究 (Annual Review of Plant Biology | 生长素调控细胞生长的分子机理) 和2021年10月发表的两篇Nature论文 (Nautre背靠背 | 植物生长素领域突破!福建农林大学等揭示生长素“酸性生长假说”的机制) 系统阐明了生长素促进酸生长的分子机制。但关于高浓度生长素抑制酸生长的机理还不清楚。该研究发现,在顶端弯钩内侧,高浓度的生长素通过转录因子ARF7激活蛋白磷酸酶PP2C.D1的表达,对质膜H+-ATP酶进行去磷酸化而抑制其活性,阻止H+向胞外转运,导致质外体碱化,从而抑制细胞生长(图2)。结合之前的发现,这一分子机制的揭示,将生长素对细胞生长的促进(低浓度)和抑制(高浓度)作用统一在了酸生长理论上,为深入理解生长素介导的细胞大小调控奠定了坚实的基础。

打破传统认知,中美科学家联合破解双子叶植物顶端弯钩的形成机制

图2:双子叶植物顶端弯钩的形成机制模式图


综上,该研究不但揭示了双子叶植物顶端弯钩的形成机制,还提出了一个高浓度生长素抑制细胞生长的分子框架,为深入理解生长素介导的细胞大小调控奠定了坚实的基础。


杜敏敏博士(李传友实验室毕业博士生,现为William Gray实验室博士后)为该文第一作者,Firas Bou Daher博士为共同第一作者。William Gray教授和李传友研究员为共同通讯作者。明尼苏达大学Jerry Cohen教授团队也参与了部分研究。该研究受美国国立卫生研究院和王宽诚教育基金等基金的资助。

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论文链接:

https://science.org/doi/10.1126/sciadv.abj1570

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投稿时间:2022-01-14  最后更新:2022-01-14

标签:双子叶植物   胚轴   生长素   中美   幼苗   重力   浓度   认知   科学家   抑制   细胞   生长   机制   植物   传统

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