IJMS奥地利科技学院：生长素通过改变细胞pH来调节根系生长响应环境变化

基本信息

主题：生长素通过改变细胞pH来调节根系生长响应环境变化

期刊：International Journal of Molecular Sciences

影响因子：4.556

研究使用平台：NMT植物激素创新平台

标题：Antagonistic cell surface and intracellular auxin signalling regulate plasma membraneH⁺-fluxes for root growth

作者：奥地利科技学院Jiří Friml、Lanxin Li、Inge Verstraeten

检测离子/分子指标

H⁺

检测样品

6日龄拟南芥幼苗根伸长区（距根尖顶端450 μm的根表上的点）

中文摘要（谷歌机翻）

生长调节使植物的发育与环境相适应。一个例子是植物生长对重力的适应，地上部分向上弯曲，根向下弯曲。这种矛盾是基于对植物激素生长素的不同响应，生长素通过一种尚不清楚的细胞机制促进了地上部分的细胞扩张，而抑制了根的细胞扩张。本研究通过对拟南芥进行微流控、活体成像、基因工程和磷酸化蛋白质组学分析，揭示生长素如何抑制根系生长。研究发现，生长素激活两条截然不同的、拮抗作用的信号通路，它们汇集于质外体pH的快速调节上，是生长的直接决定机制。细胞表面的TRANSMEMBRANE KINASE1（TMK1）与质膜H⁺-ATPases的磷酸化和活化相互作用，介导质外体酸化，而细胞内TIR1/AFB介导的信号传导则触发细胞净的H⁺内流，引起质外体碱化。这两种对抗机制的同时激活，为环境的微妙变化提供了快速、微调的生长调节的根源。

离子/分子流实验处理
10 nM IAA实时处理

离子/分子流实验结果

根伸长区表皮细胞伴随着质外体pH的升高和细胞内pH的降低，表明生长素能引起细胞内H⁺的内流。

图1. 拟南芥根伸长区吸H⁺速率。正值代表吸收，负值代表外排。

图2. 拟南芥根伸长区H⁺检测图

其他实验结果

·      生长素诱导的根系生长抑制与质外体pH迅速升高有关。

·      质外体pH值是快速调节根生长的原因。

·      生长素可以迅速磷酸化并激活根部质膜H⁺-ATPases。

·      H⁺-ATPases激活可以抵消生长素介导的质外体碱化和生长抑制。

·      TMK1与H⁺-ATPases相互作用。

·      TMK1活性介导生长素对H⁺-ATPases的磷酸化和激活作用。

TIR1/AFB和TMK1信号在质外体pH和生长调节上呈拮抗作用。

结论

本研究结果对植物如何调控根系生长这一由来已久的问题提供了新的见解。特别是，本研究解决了植物激素生长素对地上部分和根生长调控相反的这个问题，也阐明了生长素介导根生长抑制下游细胞的机制。

生长素利用细胞内TIR1/AFB受体下游信号通路的非转录分支快速调节根系生长。这一途径介导质外体碱化，研究认为这是根生长调节的直接、诱导性的细胞机制。这一发现补充了经典的“酸生长理论”，即低质外体pH促进生长。本研究证明了这一机制对生长抑制的有效性，表明根的生长速率是由质外体pH值变化直接、可逆地决定的。值得注意的是，生长素介导的根中质外体碱化并不像在地上部观察到的那样通过调节PM H⁺-ATPases而产生的，而相同的TIR1/AFB生长素感知机制导致PM H⁺-ATPases激活和质外体酸化。

而在根部，PM H⁺-ATPases则通过细胞表面TMK1受体样激酶为基础的生长素信号进行磷酸化和激活，从而导致质外体酸化，促进根部生长。这种机制与更主要的TIR1/AFB介导的碱化作用相反，构成了一种负反馈，可能是微调根系生长，以便能够迅速响应环境刺激的细微变化。

剩下的关键问题是：（i）如果不被PM H⁺-ATPases所介导，TIR1/AFB信号途径是如何介导根系碱化的？可能的情况是PM的H⁺通透性迅速增加，这可能是由TIR1/AFB激活的Ca²⁺信号介导的，并可能影响质外体pH和膜电位。TMK1途径的生长素感知机制是什么?是生长素直接激活TMK1，还是通过另一个尚待鉴定的相关生长素受体？

基于细胞表面的TMK1激活H⁺泵和细胞内的TIR1/AFB信号导致细胞内H⁺净内流，这两种由生长素触发的拮抗机制共同作用于细胞外pH的调节，直接决定根系的生长速率。这似乎适得其反的同时，“油门和刹车”作用可能会使根尖在复杂土壤环境中，响应众多胁迫，快速灵活地改变生长速度和方向。

测试液

0.5 mM KCl, 0.1 mM CaCl₂, pH 5.8

文章原文：https://www.researchsquare.com/article/rs-266395/v1

关键词：生长素；H+泵；质外体；酸化；生长调节