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    PNAS(IF=9.4) | 北大现代农学院邓兴旺团队揭示生长素介导的酸性生长机制起源和演化

    发布时间：

    2025-01-24 15:37

    来源：

    文章导读

    发表单位：北京大学现代农学院

    发表期刊：PNAS

    影响因子：9.4

    发表时间：2024年10月

    瑞源生物为本研究提供了酵母信号肽功能验证服务。

    1971年科学家根据生长素、细胞壁酸性化（指植物细胞壁的pH值降低导致细胞壁的延展性增加）及细胞伸长的关联性，提出了著名的“酸性生长学说”。

    经典“酸性生长学说”认为生长素通过刺激植物细胞膜上的质子泵（PM H+-ATPase）促进H+外流，酸化细胞壁并激活EXP等细胞壁重塑蛋白，进而促进细胞吸水膨胀和伸展。

    目前生长素调控质子泵磷酸化的信号通路已研究得十分清晰，但部分研究表明生长素受体TIR1/AFB仅存于陆生植物，因此生长素介导的酸性生长调控网络如何起源和演化依然是一个谜题。

    2024年10月近日北京大学现代农学院邓兴旺团队曾海越为第一作者，北京大学现代农学院邓兴旺院士与西南大学魏宁教授为通讯作者，在PNAS在线上发表了题为“Origin and Evolution of Auxin-mediated Acid growth”的研究论文。研究通过对植物谱系的比较基因组分析、系统发育分析以及对关键物种的实验验证，提出了酸性生长机制和生长素系统的渐进式演化模型。

     

    研究内容

    研究人员通过对酸性生长通路中核心组分的基因PM H+-ATPase（细胞膜上的质子泵）、PP2C.D（磷酸酶）、TMK（跨膜激酶）、SAUR（生长素快速响应基因，PP2C 的抑制剂）、EXP（细胞壁重塑蛋白）和ABP1/ABL（生长素结合蛋白）进行了比较基因组学分析和系统发育分析。发现布氏轮藻(Chara braunii)具有这些基因，在此基础上对这些核心基因进行详细分析并结合相关实验，发现了：

     

    1、布氏轮藻的质子泵功能与陆生植物有所不同

    研究发现PM H+-ATPase在植物谱系中保守存在，RT-qPCR结果表明布氏轮藻中CbHA2（PM H+-ATPase同工型）占主导地位，其结构与与大多数植物的跨膜螺旋结构不同。同时，实验发现布氏轮藻质子泵的磷酸由光信号诱导激活而不是被生长素诱导。这些表明布氏轮藻质子泵功能与陆生植物有所不同。

    对调控PM H+-ATPase的核心基因（即PP2C.D、TMK、SAUR、EXP和ABP1/ABL）进行分析，发现这些基因在轮藻阶段开始出现。

     

    2、PP2C.D、TMK在布氏轮藻中存在同源蛋白并能与质子泵互作

    分析发现布氏轮藻中存在TMK和PP2C.D的同源蛋白，基于膜系统酵母双杂和免疫共沉淀（Co-IP）实验表明，它们可能与CbHA2形成了一个与陆生植物中相似的PM H+-ATPase -TMK/PP2C.D互作模块。

     

    3、SAUR家族的起源、扩张和功能变化

    酵母双杂交实验发现在布氏轮藻中SAUR不能直接调节PP2C.D，进一步研究发现布氏轮藻中SAUR主要响应乙烯。研究人员推测，通过多次基因复制，某些维管植物中的C-SAURs经历了功能多样化，获得了与PP2C.D互作的能力，从而成为酸生长的关键部分。

     

    4、EXP超家族在角藻门阶段功能发生变化

    通过系统发育树发现绿藻EXPs可能是EXP家族的祖先，同时发现EXP在角藻门阶段经历了广泛的基因复制并且诞生了新功能，这一变化在植物陆地化过程中起到了EXPs功能转换到酸响应调控的作用。

    图1 酸性生长核心调控基因主要起源于轮藻并在陆生植物中全部出现。布氏轮藻（Chara braunii）具有酸性生长所需的所有核心基因。

     

    5、在某些植物物种中缺失ABP1/ ABL，其功能被未知的杯状蛋白执行

    ABP1 存在于藻类、陆地植物和细菌中，ABL 仅在种子植物中检测到，它们结合生长素并与TMK形成核心受体复合体，通过磷酸化PM H+-ATPase的pT，激活酸生长。通过酵母信号肽实验，证实了KnABP1（克雷伯索米氏菌）和AtABP1（拟南芥）的信号肽对于蛋白质分泌至关重要。

    由于ABP1在高pH细胞质环境中对生长素的亲和力很小，导致生长素在细胞质内难以与ABP1结合，因此信号肽介导的细胞外定位可能对ABP1的生长素结合能力是必需的。某些物种内没有ABP1/ ABL，且负责蛋白质分泌的信号肽缺失，该物种中代替ABP1/ ABL与生长素结合的功能可能是某些未知的杯状蛋白。

    图2 在酵母系统中对ABP1信号肽分泌功能的评估

     

    小源总结直通车

    1、生长素介导的酸性生长机制的起源和演化是一个渐进的过程。

    2、酸性生长核心调控基因在轮藻阶段已经存在，但质子泵彼时作为光信号通路的一部分，尚不能响应生长素，而藻类的细胞伸展则由某个未知的生长素系统调控。

    3、信号肽介导的蛋白质分泌可能对ABP1与生长素结合是必需的。

    4、在植物陆地化进程中，随着水陆环境的转化，TIR1/AFB受体的出现，基因复制介导的酸性生长基因新功能化，以及植物细胞壁成分的革新，使得陆地植物中生长素信号代替光信号成为质子泵的的调控信号，同时生长素成为质子泵调控酸性生长的主要驱动信号。

    图3 生长素介导的酸性生长机制渐进式演化模型

     

    项目介绍 

    该研究署名南京瑞源生物为其提供酵母信号肽筛选技术服务

    技术优势：

    1、便于观察：通过显色反应实现肉眼观察信号肽分泌功能。

    2、稳定高效：目前酵母信号肽功能验证系统已经在生物学研究中得到了广泛应用。

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