馮寒騫 李超

（華東師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，上海 200241）

生長素（Auxin）一詞來自于希臘語，其意為生長。生長素的作用最早由達(dá)爾文所描述，當(dāng)植物組織的頂端感受到光信號(hào)或重力信號(hào)后，某種刺激物質(zhì)會(huì)被運(yùn)送到其他組織，促使向光和向重力反應(yīng)的發(fā)生。隨后，瓊脂塊擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其能夠從植物組織中擴(kuò)散分離出來，并依然具有促進(jìn)生長的活性［1］。

生長素在植物生長發(fā)育過程中起著核心作用。吲哚-3-乙酸（IAA）是植物中生長素最主要的形式。生長素通過調(diào)節(jié)細(xì)胞生長、細(xì)胞分裂以及細(xì)胞特異性的分化來參與一系列生長發(fā)育過程，如胚胎極性建成、維管束分化、頂端優(yōu)勢以及向光反應(yīng)、重力響應(yīng)等過程［2］。在細(xì)胞生長水平，生長素處理10 min之后就會(huì)誘導(dǎo)質(zhì)膜上的H+-ATP酶的磷酸化，鉀離子通道表達(dá)量的上調(diào)，以及細(xì)胞壁松弛蛋白expansin的激活，從而促使胚芽鞘或下胚軸細(xì)胞的快速生長［3-4］。

對(duì)生長素信號(hào)的研究主要包括3個(gè)方面：一是，生長素的合成和代謝［5］；二是，生長素的極性運(yùn)輸［6］；三是，生長素的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。生長素的合成和極性運(yùn)輸控制著植物不同組織的生長素水平。生長素由色氨酸作為底物起始，經(jīng)多條途徑進(jìn)行合成，其中最重要的是吲哚-3-丙酮酸（Indole-3-pyruvate，IPA）合成途徑［7］。這一途徑分為兩步，主要由色氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶TAA1和黃素單加氧酶YUCCA來負(fù)責(zé)［8-9］。GH3家族基因引起生長素和氨基酸結(jié)合，從而控制體內(nèi)生長素的水平［10］。生長素在細(xì)胞間的極性運(yùn)輸主要通過幾個(gè)生長素轉(zhuǎn)運(yùn)體家族基因完成。生長素的極性轉(zhuǎn)運(yùn)對(duì)于植物生長發(fā)育至關(guān)重要，生長素在特定的組織合成后，轉(zhuǎn)運(yùn)到靶點(diǎn)組織和器官發(fā)揮功能。AUX1共轉(zhuǎn)運(yùn)體負(fù)責(zé)生長素由胞外向胞內(nèi)的內(nèi)流運(yùn)輸［11］，PIN家族負(fù)責(zé)生長素由胞內(nèi)向胞外的外流運(yùn)輸，而ABCB/PGP可以雙向運(yùn)輸生長素［12-13］。生長素轉(zhuǎn)運(yùn)體響應(yīng)環(huán)境和發(fā)育信號(hào)，其表達(dá)量和亞細(xì)胞定位發(fā)生變化，從而建立特異的濃度，調(diào)控特定的發(fā)育和環(huán)境信號(hào)響應(yīng)過程。生長素的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)控制著組織和器官對(duì)生長素的反應(yīng)。目前發(fā)現(xiàn)了3條生長素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路：Aux/IAA-TIR1核信號(hào)通路，細(xì)胞表面起始的信號(hào)通路和SKP2A介導(dǎo)的信號(hào)通路。其中Aux/IAA-TIR1核通路介導(dǎo)了生長素的轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制，細(xì)胞膜表面起始的信號(hào)通路介導(dǎo)了生長素的快速響應(yīng)。本文將重點(diǎn)闡述生長素的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制，并討論和展望其研究前景及面臨的挑戰(zhàn)。

1 生長素信號(hào)：Aux/IAA-TIR1-ARF信號(hào)通路及轉(zhuǎn)錄調(diào)控

外界生長素濃度的變化信號(hào)經(jīng)細(xì)胞感受和識(shí)別后，引起大量基因轉(zhuǎn)錄水平的變化［14］。早期生長素響應(yīng)基因的表達(dá)水平在生長素處理幾分鐘后就明顯上升，這些基因可以分為3個(gè)家族：SAUR、GH3和Aux/IAA。SAUR基因產(chǎn)生的是一類高度不穩(wěn)定的轉(zhuǎn)錄本，包括70多個(gè)成員。GH3家族編碼的是一類催化生長素和氨基酸進(jìn)行偶聯(lián)的酶。GH3負(fù)責(zé)生長素的反饋調(diào)節(jié)，從而控制胞內(nèi)生長素的穩(wěn)態(tài)。Aux/IAA在生長素響應(yīng)基因的表達(dá)調(diào)控過程中起著核心作用。擬南芥中存在29個(gè)Aux/IAA蛋白，其編碼一類短周期的核蛋白，該家族多數(shù)成員作為生長素誘導(dǎo)基因的抑制因子發(fā)揮功能［15］。Aux/IAA與生長素響應(yīng)因子發(fā)揮作用（Auxin response factor，ARF）形成二聚體，從而抑制ARF的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)功能的行使。而ARF類轉(zhuǎn)錄因子，能夠結(jié)合到生長素誘導(dǎo)基因的順式作用元件上，調(diào)控其轉(zhuǎn)錄表達(dá)［16］。

TIR1最早通過遺傳篩選的方法鑒定得到。tir1突變體在下胚軸伸長和側(cè)根形成等生長素調(diào)節(jié)的發(fā)育過程方面存在缺陷［17］。TIR1是一個(gè)F-box蛋白，其通過F-box基序與Skp1類似蛋白ASK相互作用，進(jìn)而與Cullin類似蛋白CUL1相互作用，從而形成泛素連接酶（E3）復(fù)合體SCFTIR1［18］。生長素能夠穩(wěn)定TIR1和Aux/IAA蛋白的第二個(gè)結(jié)構(gòu)域（Domain II）的相互作用，介導(dǎo)了轉(zhuǎn)錄抑制子Aux/IAA蛋白的降解，從而將ARF從Aux/IAA-ARF二聚體中釋放出來［19-20］。不同的 TIR1/AFBs和 Aux/IAAs配對(duì)組合的結(jié)合活性差異很大，這使得Aux/IAA蛋白具有一系列不同的半衰期，能夠響應(yīng)不同濃度的生長素，并呈現(xiàn)差異化的反應(yīng)。

2 生長素核信號(hào)通路的新進(jìn)展

2.1 生長素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)研究的工具

對(duì)于生長素信號(hào)的研究，其中很關(guān)鍵的是如何動(dòng)態(tài)地檢測不同組織在發(fā)育過程中生長素的分布和信號(hào)強(qiáng)弱。在植物中常用于檢測生長素分布的工具是基于DR5啟動(dòng)子的一系列報(bào)告基因。DR5啟動(dòng)子中包含眾多ARF轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合位點(diǎn)，從而能夠響應(yīng)生長素信號(hào)［21］。DR5啟動(dòng)子作為生長素信號(hào)的輸出端，其活性不僅與內(nèi)源生長素的分布有關(guān)，同時(shí)也受到生長素信號(hào)的控制。在此基礎(chǔ)上，對(duì)DR5啟動(dòng)子進(jìn)行改造，開發(fā)出了DR5v2啟動(dòng)子。相比DR5，DR5v2在更多的植物細(xì)胞中能夠更加準(zhǔn)確地反映出生長素的水平，如胚胎發(fā)生過程中的子葉和維管組織、根表皮細(xì)胞和中柱細(xì)胞等［22］。作為生長素的誘導(dǎo)基因，GH3∶GFP同樣被用于指示生長素的濃度和生長素的信號(hào)強(qiáng)弱［23］。

Aux/IAA蛋白水平的變化直接反映了體內(nèi)生長素濃度的變化。將Aux/IAA蛋白IAA28的DII結(jié)構(gòu)域和黃色熒光蛋白VENUS構(gòu)建為融合蛋白，以35S啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)，并在植物體內(nèi)進(jìn)行表達(dá)，發(fā)現(xiàn)DII-VENUS的熒光強(qiáng)度能夠靈敏地反映根尖和冠部頂端分生組織中的生長素濃度，以及重力響應(yīng)過程中根部生長素濃度變化［24］。目前，DII-VENUS被廣泛用于對(duì)多種植物生長發(fā)育過程中生長素分布及響應(yīng)的研究［25-26］。

2.226S蛋白酶體調(diào)控途徑

生長素通過26S蛋白酶體介導(dǎo)的降解途徑來降解Aux/IAA蛋白。26S蛋白酶體受到多種信號(hào)蛋白的調(diào)控。RAC/ROP GTP酶引起Aux/IAA-SCFTIR/AFBs-26S proteasome復(fù)合體的形成，從而使得Aux/IAA蛋白被降解［27］。高溫能夠增加TIR1蛋白的積累，該過程依賴于分子伴侶HSP90。HSP90與SGT1均與TIR1相互作用。抑制HSP90的活性使得TIR1被降解，并引起一系列生長素缺陷表型［28］。在哺乳動(dòng)物中，PI31是一個(gè)被廣泛研究的蛋白酶體的抑制因子。最近的研究表明，擬南芥中PI31的同源基因PTRE1參與Aux/IAA復(fù)合體的形成。ptre1突變體中生長素信號(hào)的傳遞受到抑制，多數(shù)IAA基因的表達(dá)量下降，DR5：GFP的熒光強(qiáng)度降低。IAA7和IAA17的蛋白水平的表達(dá)量在ptre1突變體中上升，在PTER1的過表達(dá)中下降。PTRE1能夠與IAA蛋白的DII結(jié)構(gòu)域相互作用。生長素處理能夠促使PTRE1蛋白由內(nèi)膜系統(tǒng)向質(zhì)膜的轉(zhuǎn)移［29］。這些研究結(jié)果表明，生長素通過PTRE1來調(diào)控蛋白酶體的活性，從而控制Aux/IAA蛋白的穩(wěn)態(tài)和生長素的響應(yīng)。

2.3 LTR2調(diào)控Aux/IAA蛋白的異構(gòu)化

研究發(fā)現(xiàn)，水稻中的LATERAL ROOTLESS2（LRT2）是一個(gè)親環(huán)素類型的肽基脯氨酰順反異構(gòu)酶，介導(dǎo)了水稻OsIAA11的肽基脯氨酰異構(gòu)化，從而調(diào)節(jié)OsIAA11的穩(wěn)定性。lrt2突變削弱了OsTIR1和OsIAA11的相互作用，導(dǎo)致OsIAA11蛋白在體內(nèi)更多的積累。OsIAA11的突變能夠部分恢復(fù)lrt2突變體的側(cè)根發(fā)育的表型［30］。LRT2能夠促進(jìn)Aux/IAA蛋白的降解，從而傳遞生長素信號(hào)。

2.4 NO影響生長素核信號(hào)通路

一氧化氮（NO）作為植物中的第二信使，參與多種植物激素的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程。外源生長素處理能夠誘導(dǎo)NO在不定根、側(cè)根以及根毛的形成過程中積累［31-32］。NO含量的增加能夠增強(qiáng)生長素響應(yīng)基因的表達(dá)，而NO的清除能夠抑制Aux/IAA蛋白的降解。進(jìn)一步研究表明，NO通過對(duì)TIR1的140位半胱氨酸進(jìn)行亞硝基化修飾來調(diào)節(jié)TIR1-Aux/IAA的相互作用從而影響Aux/IAA的降解［33］。這些研究結(jié)果表明，NO能夠響應(yīng)生長素信號(hào)，調(diào)節(jié)TIR1/AFBAux/IAA-AFB信號(hào)途徑，從而影響生長素引起的形態(tài)建成。

3 細(xì)胞表面起始的生長素信號(hào)通路

3.1 生長素的快速響應(yīng)現(xiàn)象

TIR1/AFB-Aux/IAA-ARF這一核內(nèi)信號(hào)通路清晰地解釋了生長素的感受、傳導(dǎo)和響應(yīng)過程，然而，細(xì)胞內(nèi)存在著一些生長素的快速響應(yīng)。生長素處理引起的細(xì)胞膜的去極化、離子的跨膜流動(dòng)、細(xì)胞的快速長大、根部的鈣信號(hào)震蕩等等往往發(fā)生在生長素處理后數(shù)分鐘內(nèi)［34］。這些生長素的快速響應(yīng)很難通過轉(zhuǎn)錄調(diào)控來實(shí)現(xiàn)，所以細(xì)胞表面起始的生長素信號(hào)通路存在的可能性被提出［34］。

3.2 生長素與氫離子泵活性調(diào)控

20世紀(jì)70年代，學(xué)者們提出細(xì)胞的酸生長理論，即生長素通過激活細(xì)胞膜上的H+-ATP酶，酸化細(xì)胞壁，從而促進(jìn)細(xì)胞生長［35］。研究發(fā)現(xiàn)，生長素處理促進(jìn)H+-ATP酶的磷酸化（對(duì)應(yīng)AHA2的947位蘇氨酸）［36］。磷酸化的H+-ATP酶能夠與14-3-3蛋白結(jié)合，從而激活H+轉(zhuǎn)運(yùn)的活性［37］。黑暗生長的下胚軸經(jīng)生長素處理10 min后開始明顯的快速生長。釩酸鹽作為H+-ATP酶的抑制劑，會(huì)明顯抑制生長素處理引起的下胚軸的生長，表明H+-ATP酶的活性對(duì)于下胚軸的生長是必需的。生長素處理10 min后H+-ATP酶的947位蘇氨酸磷酸化明顯加強(qiáng)，并在20 min達(dá)到峰值。生長素處理并不影響H+-ATP酶的轉(zhuǎn)錄水平的表達(dá)，卻會(huì)引起鉀離子通道KAT1的表達(dá)上調(diào)，表達(dá)鉀離子通道在生長素調(diào)節(jié)下胚軸生長過程中同樣起作用［36］。

3.3 SAUR調(diào)控生長素響應(yīng)

Small auxin-up RNA（SAUR）是生長素快速響應(yīng)基因，這一家族在擬南芥中有79個(gè)成員，其中SAUR19和SAUR63被發(fā)現(xiàn)是細(xì)胞生長的正向調(diào)節(jié)因子［38］。過表達(dá)SAUR19使植物呈現(xiàn)出下胚軸伸長、葉面積增加、頂端彎鉤的缺陷和向性反應(yīng)改變等生長素相關(guān)缺陷。而通過人工microRNA干擾的方法降低SAUR19的表達(dá)水平，幼苗則呈現(xiàn)下胚軸變短和葉面積變小的表型。進(jìn)一步研究表明，SAUR過表達(dá)引起的下胚軸伸長與質(zhì)外體pH的下降有關(guān)［39］。SAUR19促進(jìn)H+-ATP酶C末端自我抑制區(qū)的磷酸化，從而激活H+-ATP酶的活性。SAUR19與PP2C-D相互作用并抑制其活性，而PP2C-D則直接作用并抑制質(zhì)膜上的H+-ATP酶的活性。因此，生長素可能通過轉(zhuǎn)錄上調(diào)SAUR19的表達(dá)量，并抑制PP2C-D的活性，使得Thr947被磷酸化的H+-ATP酶的數(shù)量增加，質(zhì)外體酸化，細(xì)胞壁松弛，引起細(xì)胞生長［39］。

3.4 RAC/ROP與生長素信號(hào)通路

生長素能夠激活小G蛋白R(shí)AC/ROP，從而促進(jìn)生長素響應(yīng)基因的表達(dá)。在原生質(zhì)體中過表達(dá)正常形式以及持續(xù)激活形式的煙草RAC/ROP，能夠激活生長素響應(yīng)基因的表達(dá)；而過表達(dá)顯性抑制形式的NtRAC1、RAC的負(fù)調(diào)節(jié)因子，或降低內(nèi)源的NtRAC1的表達(dá)量，則會(huì)抑制生長素響應(yīng)基因表達(dá)［40］。在植物體內(nèi)過表達(dá)NtRAC1或抑制內(nèi)源RAC/ROP的表達(dá)使得轉(zhuǎn)基因材料呈現(xiàn)生長素信號(hào)的缺陷表型。生長素激活RAC/ROP，并招募Aux/IAA蛋白形成含有SCFTIR1和26S蛋白酶體的具有降解活性的蛋白小體，從而調(diào)控生長素信號(hào)響應(yīng)［26］。

生長素調(diào)控葉片鋪板細(xì)胞的極性生長。生長素合成突變體yucca1/2/4/6的子葉鋪板細(xì)胞的極性交錯(cuò)分布明顯弱于野生型。ROP2和ROP4的雙突變體ROP2 RNAi rop4-1 呈現(xiàn)與yucca1/2/4/6類似的鋪板細(xì)胞表型。外源NAA處理能夠恢復(fù)yucca1/2/4/6的鋪板細(xì)胞生長缺陷，卻不能恢復(fù)ROP2 RNAi rop4-1的表型，表明ROP2和ROP6調(diào)控生長素介導(dǎo)的葉片鋪板細(xì)胞的極性發(fā)育［41］。

研究發(fā)現(xiàn)，受體激酶FERONIA（FER）通過跟ROP GEF1直接相互作用而激活下游的ROP2信號(hào)通路。fer-4突變體呈現(xiàn)一系列細(xì)胞生長缺陷的表型，包括根毛、表皮毛和鋪板細(xì)胞發(fā)育的缺陷。FER突變同時(shí)也影響了植物對(duì)生長素的響應(yīng)。外源NAA處理使得野生型的根毛數(shù)量變多，長度增加，根部和根毛的ROS信號(hào)增強(qiáng)。而fer-4突變體在NAA處理后根毛沒有明顯的變化，且根部的ROS含量沒有明顯的增加。通過在fer-4突變體中外源回補(bǔ)FER基因則能夠恢復(fù)對(duì)生長素的響應(yīng)［42］。磷脂酰肌醇錨定蛋白LORELEI like GPI-anchored protein1（LLG1）的突變體也被發(fā)現(xiàn)具有跟fer-4相似的生長素不敏感以及其他生長素相關(guān)的表型。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，LLG1作為FER的伴侶蛋白協(xié)助FER由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)向細(xì)胞膜的轉(zhuǎn)運(yùn)，并作為共受體參與FER感受胞外信號(hào)［43］。這些結(jié)果表明FER/LLG1復(fù)合體通過激活ROP途徑而影響ROS的產(chǎn)生，從而調(diào)控根毛的發(fā)育。

3.5 ABP1/TMK信號(hào)通路

尋找并鑒定質(zhì)膜及內(nèi)膜所介導(dǎo)的生長素信號(hào)通路同樣是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。生長素結(jié)合蛋白（Auxin binding protein 1，ABP1）被鑒定到能夠結(jié)合生長素，且對(duì)NAA的親和力高于IAA［44］。ABP1對(duì)NAA的結(jié)合能力在pH 5.0至5.5的條件下最高，在pH 7.0時(shí)候結(jié)合能力弱。多數(shù)ABP1蛋白定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，而部分ABP1蛋白會(huì)從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上釋放，并轉(zhuǎn)運(yùn)至質(zhì)膜。ABP1能夠與TMK相互作用，且生長素可以增強(qiáng)二者的互作［45］。關(guān)于ABP1體內(nèi)功能的研究一直受阻于沒有完全敲除的突變體。通過TILLING方法獲得的突變體abp1-5被廣泛用于ABP1功能的研究。然而，后續(xù)的研究發(fā)現(xiàn)，abp1-5的發(fā)育缺陷表型與突變位點(diǎn)并不連鎖，表明這些表型差異可能是由其他位點(diǎn)的突變?cè)斐傻?。通過基因組測序，發(fā)現(xiàn)abp1-5中存在眾多SNP突變，包括光敏色素phyB的缺失突變［46］。此外，ABP1的CRISPR敲除突變體abp1-c1和T-DNA插入突變體abp1-TD1相比野生型并沒有呈現(xiàn)明顯的生長素信號(hào)缺陷相關(guān)表型［47］。因此，對(duì)于ABP1是否是生長素的受體需要進(jìn)一步的研究。

4 SKP2A與生長素介導(dǎo)的細(xì)胞周期調(diào)控

SKP2A是一個(gè)F-box蛋白，SKP2A通過促進(jìn)細(xì)胞周期的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子E2FC和DPB的降解來調(diào)控細(xì)胞周期的進(jìn)程。生長素能夠引起E2FC和DPB，以及SKP2A自身的降解。放射性IAA的結(jié)合實(shí)驗(yàn)證明SKP2A 具有生長素結(jié)合活性［48］。對(duì)于該信號(hào)通路的研究還有待于進(jìn)一步深入研究。

5 生長素信號(hào)通路進(jìn)化的保守性

生長素信號(hào)通路是何時(shí)出現(xiàn)的，并如何在植物進(jìn)化的過程中不斷由簡單到復(fù)雜進(jìn)行演化？苔蘚植物是最早進(jìn)化出的陸生植物，其中小立碗蘚被廣泛應(yīng)用于分子生物學(xué)研究?；蚪M測序和生物信息學(xué)分析結(jié)果顯示，關(guān)于生長素的合成、運(yùn)輸、感受及信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)的關(guān)鍵調(diào)控基因在小立碗蘚中同樣存在。而PpIAA與PpAFB相互作用，并且PpAFB的RNAi突變體呈現(xiàn)生長素不敏感的表型［49-50］。在地錢當(dāng)中，同樣存在著TIR1/AFB-Aux/IAA-ARF信號(hào)通路，這些信號(hào)組分調(diào)控地錢的細(xì)胞生長和分化［51］。這些研究結(jié)果表明最早的陸生植物已經(jīng)具備了生長素的核心信號(hào)通路。

6 展望

植物分子生物學(xué)的研究為理清生長素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制提供了大量的證據(jù)。然而，對(duì)于信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制方面依然有許多問題需要解決。

（1）TIR1/AFB-Aux/IAA-ARF復(fù)合體呈現(xiàn)出復(fù)雜的調(diào)控層次和模式，對(duì)其深入探索將有助于完整闡述生長素核內(nèi)信號(hào)通路和徹底解析生長素信號(hào)通路對(duì)于特異生長發(fā)育過程的調(diào)控。其中，TIR1/AFB蛋白的翻譯后修飾、Aux/IAA蛋白的構(gòu)象轉(zhuǎn)變和穩(wěn)定性和ARF蛋白的轉(zhuǎn)錄活性調(diào)控是值得關(guān)注的研究方向。

（2）生長素對(duì)細(xì)胞生長的作用隨濃度變化而反應(yīng)不同。低濃度的生長素促進(jìn)細(xì)胞生長，而高濃度的生長素會(huì)抑制細(xì)胞生長。另外，生長素對(duì)于根部和冠部細(xì)胞的生長呈現(xiàn)相反作用，并且表現(xiàn)出很大的敏感性差異。外源施加微摩爾濃度的生長素會(huì)促進(jìn)冠部細(xì)胞的生長，而低至納摩爾濃度的生長素對(duì)根細(xì)胞的生長具有明顯抑制作用。這些復(fù)雜的生長素調(diào)控模式的分子機(jī)制有待于進(jìn)一步的研究。

（3）對(duì)于生長素的快速響應(yīng)機(jī)制，目前在細(xì)胞膜去極化、跨膜離子流動(dòng)、鈣信號(hào)震蕩、原生質(zhì)體快速生長等方面已經(jīng)積累了大量的研究成果。然而對(duì)這一響應(yīng)過程中生長素是如何被感知并傳導(dǎo)，目前尚不清楚，在這一方面，生長素受體的探究將是重要的環(huán)節(jié)。