PNAS|非典型生长素信号调节侧根发育过程中的细胞分裂模式

福建农林大学的研究人员于PNAS(IF: 9.58)上发表了一篇题为“Noncanonical auxin signaling regulates cell division pattern during lateral root development”的研究文献，该文献揭示了非典型生长素信号调节侧根发育过程中的细胞分裂模式。

背景

多细胞生物的生长包括一系列的细胞分裂，在空间和时间上都受到严格控制。细胞分裂紊乱会导致动植物严重生长缺陷。生长素在植物器官发育过程中起到调节细胞分裂模式的作用，生长素的分布与器官发育（包括侧根（LR）发育）紧密相关，但其潜在机制仍有待进一步研究。在这里，我们证明了生长素信号传导在侧根发育过程中激活蛋白激酶（MAPK）信号级联来控制细胞分裂模式。

结果

LR发育期间生长素调节的细胞分裂模式需要TMK1和TMK4

为了研究拟南芥中生长素介导的LR发育调控的潜在机制，研究了参与生长素信号传导的跨膜激酶（TMKs）家族。pTMK1-TMK1-GFP结果证实，TMK1和TMK4在LR发育的不同阶段高表达，综合数据表明需要TMK1和TMK4来调节细胞分裂模式和响应生长素的LR发育。

图1.TMK1和TMK4在侧根发育过程中调节生长素介导的细胞分裂模式

图2. TMK1 和TMK4在侧根中高表达

TMK1和TMK4与MKK4和MKK5相互作用

为了确定TMK1/TMK4如何调节细胞分裂方向和LR发育，鉴定了与拟南芥中 TMK1相互作用的蛋白质。通过免疫沉淀TMK1-GFP和来自pTMK1-TMK1-GFP转基因植物的相互作用蛋白，进行质谱分析，并通过酵母双杂交筛选了所有MKK蛋白与4个TMK家族成员C末端的相互作用，瞬时表达的MYC标签的MKK4和MKK5与来自原生质体的HA标签的TMK1共免疫沉淀。根据实验结果数据，我们假设MKK4/5参与TMK1/4调节LR发育的过程。

图3. TMK1与MKK4和MKK5相互作用

图4.TMK1和TMK4C末端与MKK4和MKK5特异性相互作用

MKK4和MKK5响应生长素并在LR发育过程中调节细胞分裂模式

进一步验证MKK4和MKK5在LR发育中的作用，发现经雌二醇处理的MKK4,5RNAi-est突变体在LR发育中表现出强烈的缺陷，对生长素的处理也不敏感，这些缺陷也与LR发育不同阶段的杂乱的细胞分裂模式有关，因此，MKK4和MKK5也响应生长素而调节LR的发育。

图5.MKK4/5-MPK3/6在侧根发育过程中调节生长素依赖性细胞分裂模式

生长素诱导MKK4/5依赖的TMK1/4磷酸化

TMK介导的信号传导途径已牵涉植物生长素信号转导，假设生长素经由TMKs MKK4和MKK5的激活。为了检验该假设，我们用NAA 处理了瞬时表达MKK4或MKK5的拟南芥原生质体。结果表明，基于TMK的生长素信号传导可能参与调节MKK4/5的磷酸化。

图6.TMKs介导生长素对MKK4/5-MPK3/6的磷酸化

生长素通过TMK1/4激活MPK3和MPK6以调节LR中的细胞分裂模式

为了进一步验证生长素是否激活MPK3/6来调节LR的发育，研究了过量生长素的yuc1-D突变体和生长素减少的wei8-3tar2-1突变体，与在相应突变体生长素水平相关磷酸化MPK3/6的水平。综合结果表明，生长素通过TMK1/4激活MKK4/5-MPK3/6信号级联，从而在LR发育过程中调节细胞分裂模式。

图7. 生长素激活MPK3/6

结论

研究揭示了信号转导途径如何调节细胞分裂模式，还提供了植物生长素信号传导与MAPK信号传导之间的联系。我们的数据表明需要TMK介导的非典型植物生长素信号来调节细胞分裂模式并将植物生长素信号连接至MAPK信号，这对于植物发育都是必不可少的。

该研究得到了中国国家重点研究开发计划，国家自然科学基金的支持。

参考文献

【1】C. G. Rasmussen, J. A. Humphries, L. G. Smith, Determination of symmetric and asymmetric division planes in plant cells. Annu. Rev. Plant Biol. 62, 387–409 (2011).

 【2】T. E. Gillies, C. Cabernard; Cell Division Orientation in Animals, Cell division orientation in animals. Curr. Biol. 21, R599–R609 (2011).

【3】I. De Smet, T. Beeckman, Asymmetric cell division in land plants and algae: The driving force for differentiation. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 12, 177–188 (2011).

文献链接：

https://doi.org/10.1073/pnas.1910916116

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