生長(zhǎng)素是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的植物激素，對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程至關(guān)重要，廣泛參與調(diào)控細(xì)胞分裂、延展和分化等基本生物過(guò)程。生長(zhǎng)素在調(diào)控器官生長(zhǎng)時(shí)具有“劑量效應(yīng)”（又稱“雙重效應(yīng)”），具體表現(xiàn)為低濃度的生長(zhǎng)素促進(jìn)生長(zhǎng)而高濃度的生長(zhǎng)素抑制生長(zhǎng)。生長(zhǎng)素的這一特征發(fā)現(xiàn)已有近九十年，而背后的分子機(jī)制還不清楚。此外，生長(zhǎng)素調(diào)控器官伸長(zhǎng)的效應(yīng)還受光等環(huán)境信號(hào)影響，如高濃度的生長(zhǎng)素在暗中抑制擬南芥下胚軸伸長(zhǎng)，而在光下卻促進(jìn)下胚軸伸長(zhǎng)，這一現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)多年，背后的分子機(jī)制也一直不清楚。
2025年02月14日，北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院、北大-清華生命聯(lián)合中心鄧興旺教授團(tuán)隊(duì)與西南大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院魏寧教授團(tuán)隊(duì)合作在Nature Plants在線發(fā)表了題為“The apoplastic pH is a key determinant in the hypocotyl growth response to auxin dosage and light”的研究論文。該研究揭示了質(zhì)外體酸化程度是生長(zhǎng)素劑量以及光依賴性地調(diào)控下胚軸伸長(zhǎng)的基礎(chǔ)。
圖1 生長(zhǎng)素雙相調(diào)控下胚軸伸長(zhǎng)的分子機(jī)制示意圖
該研究發(fā)現(xiàn)，生長(zhǎng)素以劑量依賴的方式誘導(dǎo)SAUR家族基因表達(dá)。隨著生長(zhǎng)素劑量的增加，SAUR家族蛋白水平逐漸積累，促使質(zhì)膜質(zhì)子泵H+-ATPase活性被逐漸激活，進(jìn)而促使下胚軸表皮細(xì)胞質(zhì)外體被逐漸酸化。根據(jù)酸生長(zhǎng)理論，質(zhì)外體適度酸化促進(jìn)細(xì)胞延展，而該研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)質(zhì)外體酸化到一定程度則抑制細(xì)胞延展。因此，生長(zhǎng)素的雙重效應(yīng)發(fā)生在生長(zhǎng)素介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄重編程之后，取決于細(xì)胞對(duì)質(zhì)外體酸化程度（pH）的響應(yīng)（圖1）。光信號(hào)促使下胚軸表皮細(xì)胞質(zhì)外體pH升高，抵消生長(zhǎng)素誘導(dǎo)的質(zhì)外體的過(guò)度酸化，使得生長(zhǎng)素在光下促進(jìn)下胚軸伸長(zhǎng)（圖2）。
圖2 光與生長(zhǎng)素拮抗地調(diào)控質(zhì)外體pH調(diào)控下胚軸伸長(zhǎng)
該研究解決了長(zhǎng)期困擾人們的兩個(gè)科學(xué)難題，即生長(zhǎng)素的劑量效應(yīng)和生長(zhǎng)素調(diào)控器官伸長(zhǎng)的光依賴效應(yīng)的分子機(jī)制是什么。該研究將這兩個(gè)看似不相關(guān)的科學(xué)問題統(tǒng)一為了光和生長(zhǎng)素均調(diào)控質(zhì)外體的酸化程度，而質(zhì)外體酸化程度最終決定促進(jìn)或抑制細(xì)胞延展。該研究拓寬人們對(duì)光信號(hào)和植物激素信號(hào)交叉互作調(diào)控植物生長(zhǎng)發(fā)育的認(rèn)識(shí)。該研究發(fā)現(xiàn)的高劑量的生長(zhǎng)素抑制下胚軸伸長(zhǎng)的機(jī)制與生長(zhǎng)素通過(guò)促使根的細(xì)胞堿化抑制根伸長(zhǎng)，以及生長(zhǎng)素通過(guò)促使頂端彎鉤內(nèi)側(cè)細(xì)胞PP2C-D1高表達(dá)或促使TMK1 C端進(jìn)入細(xì)胞核磷酸化并穩(wěn)定IAA32、IAA34抑制頂端彎鉤內(nèi)側(cè)細(xì)胞延展的機(jī)制均不相同。該研究與以上研究一起幫助人們?nèi)嫔羁痰卣J(rèn)識(shí)生長(zhǎng)素是如何器官特異性地抑制細(xì)胞延展的。此外，該研究發(fā)現(xiàn)質(zhì)外體過(guò)度酸化抑制細(xì)胞延展，給經(jīng)典的“酸生長(zhǎng)理論”中的“酸”界定一個(gè)具體的范圍，這是對(duì)“酸生長(zhǎng)理論”的補(bǔ)充和完善。
北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心鄧興旺教授和西南大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院魏寧教授為論文共同通訊作者。西南大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院交流人員汪加軍和西南大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物科技學(xué)院金丹副研究員為論文共同第一作者。本研究也獲得清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、清華-北大生命聯(lián)合中心陳浩東研究員、西南大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院廖志華教授和日本名古屋大學(xué)理學(xué)研究院和轉(zhuǎn)化生物分子研究所的Toshinori Kinoshita教授的鼎力支持。該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、重慶市博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃、中國(guó)博士后科學(xué)基金和北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心的資助。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41477-025-01910-4