生长素如何抑制根的生长

植物的发育和对环境的适应都倚赖植物的生长调控。一个典型案例便是植物的向重力性：植物的根向下而茎向上生长，以从所处环境中的获得最多的营养和能量。不同器官对重力有相反的生长反应是基于植物激素生长素对不同器官有相反的生长调控效应。生长素促进茎细胞的生长，却抑制根细胞的生长。这一现象已知许久，生长素调控茎细胞生长的分子机制也相对清晰，然而生长素如何抑制根生长却有众多未知。

10月27日，奥地利科学技术研究院 （Institute of Science and Technology, Austria）Jiří Friml课题组在Nature发表了题为Cell surface and intracellular auxin signalling for H+fluxes in root growth的研究论文，揭示了生长素受体TIR1/AFB在细胞质内以非转录调控途径促使跨细胞膜的质子内流，导致细胞质外体快速碱化，实现快速生长抑制；另一方面，生长素细胞膜信号蛋白TMK1直接激活细胞膜质子泵，拮抗前者的显性作用，共同调控根对生长素的生长响应。

该研究着眼于生长素快速抑制拟南芥根生长过程，首先探索了介导快速根抑制的细胞学机制。通过细胞学动力图和药物处理，确定了微管重排列、液泡碎片化是细胞抑制的“果”。通过HPTS酸碱指示剂和PM-Cyto胞内酸碱指示转基因苗，以及微电极质子通量测量，证明了生长素导致的质子内流与快速根抑制紧密相关。通过微流控芯片技术给植物根以弱碱或弱酸，辅以HPTS酸碱指示剂和垂直激光共聚焦显微镜记录快速质外体pH和根生长反应，证明细胞质碱化是生长素快速抑制根生长的“因”。

接下来，基于Jiří Friml实验室先前的研究发现TIR1/AFB介导快速生长抑制，该研究利用ccvTIR1-cvxIAA系统、tir1 afb2 afb3突变体和PEO-IAA药物处理初步确定了TIR1/AFB介导细胞质外体碱化。再通过比较胞质定位为主的AFB1和核定位为主的TIR1的突变体，发现胞质为主的AFB1更多参与生长素介导的快速细胞质外体碱化。从此确定分布于胞质部分的TIR1/AFB介导非转录性的质子内流。

与茎上部分不同，该研究首次发现生长素导致的质子内流或质外体碱化并非质子泵导致的。相反，通过phosphoproteomics、ATP水解活性分析、遗传材料包括ost2-3D突变体和局部沉默AHA1、AHA2、AHA7、AHA11的转基因苗，以及Fusicoccin药物处理，证明生长素激活根细胞的质子泵，而质子泵的激活对生长素引起的根生长抑制起拮抗作用。重要的是，通过Pull down, CoIP, BIFC, [γ 32 P]-ATP kinase assay等方法，研究也首次发现生长素通过细胞膜蛋白TMK1直接磷酸化并激活质子泵。最终，通过tir1 tmk1双突材料呈现两个单突的中间表型，验证了胞质定位的TIR1/AFB和膜定位的TMK1生长素信号拮抗调节质子流而调控根生长。

生长素调控根生长的机制

综上所述，通过利用微流控芯片技术和垂直激光共聚焦显微镜，该研究聚焦根的快速生长反应，系统性探讨了各细胞反应和生长的因果关系，并拓宽了酸性生长学说在根中的适用性，即酸促进生长，碱抑制生长。同时，该研究对生长素信号通路做了新的发现，证明了TIR1/AFB胞质定位部分有非转录调控旁支介导质子内流，而膜定位的TMK1直接激活质子泵拮抗TIR1/AFB通路。这些发现不仅为根的快速反应现象提供理论机制，为生长素信号通路提供新知识，也为未来控制生长素对植物茎和根生长调控进而定向改造植物生长提供了借鉴意义。