植物激素生長素在調(diào)控植物生長發(fā)育如胚胎形成、 維管組織發(fā)育、 根系形成、 向性反應(yīng)與植物生殖諸多方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。生長素極性運(yùn)輸與局部代謝所產(chǎn)生的生長素高點(diǎn)和生長素梯度，作為位置信號控制著植物的模式形成和器官發(fā)生。早期研究建立了生長素活化小G蛋白ROP（Plant RHO GTPase）分子開關(guān)，并且RopGEFs (Guanine Nucleotide Exchange factors)作為ROP活化因子廣泛調(diào)控植物生長發(fā)育、 細(xì)胞極性建立及植物對環(huán)境刺激的響應(yīng)。但是生長素信號如何激活RopGEFs從而控制ROP信號介導(dǎo)的生長素響應(yīng)的分子機(jī)制仍不清楚。
近日，生命科學(xué)學(xué)院陶利珍團(tuán)隊(duì)在Nature Plants雜志在線發(fā)表題為RLCKs phosphorylate RopGEFs to control auxin-dependent Arabidopsis development的研究論文，揭示了胞質(zhì)類受體激酶RAKs通過磷酸化精準(zhǔn)調(diào)控RopGEF1的活性和穩(wěn)定性，進(jìn)而激活ROP分子開關(guān)和控制生長素依賴的發(fā)育機(jī)制。RLCK-RopGEF功能模塊的鑒定，填補(bǔ)了生長素與ROP之間的細(xì)胞表面信號通路中缺失的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。
表型分析發(fā)現(xiàn)，RLCKVIII亞家族四基因敲除突變體rak4m在胚胎發(fā)育、根發(fā)育、花器官發(fā)育等多種生長素依賴的發(fā)育過程中表現(xiàn)出明顯缺陷，并且PIN蛋白的極性定位與豐度發(fā)生改變，影響了根極生長素高點(diǎn) （auxin maxima）的建立。
生長素促進(jìn)RAK依賴的RopGEF磷酸化調(diào)控生長素相關(guān)的生長與發(fā)育
該研究發(fā)現(xiàn)，生長素能夠促使RopGEF1蛋白發(fā)生磷酸化， 這一過程需要胞質(zhì)類受體蛋白激酶RAKs（RopGEF Activating Kinases）的參與。生化分析表明，RAKs能夠與RopGEF1相互作用并在其羧基端（C端）的關(guān)鍵磷酸化位點(diǎn)S488特異性磷酸化RopGEF1，將其招募至細(xì)胞膜，活化RopGEF1，增強(qiáng)對ROP6的催化活性。敲除這些RAKs，導(dǎo)致RopGEF1蛋白的降解。分子細(xì)胞生物學(xué)分析顯示，rak4m四突根細(xì)胞中的RopGEF1發(fā)生內(nèi)吞，并與液泡的標(biāo)記蛋白共定位，最終可能在液泡中降解。 敲除這些RAKs，會阻礙生長素誘導(dǎo)的RopGEF1的磷酸化，從而抑制ROP6的活化。表達(dá)模擬磷酸化狀態(tài)的突變型RopGEF1 (S488D)能夠完全回補(bǔ)rak4m四突的生長發(fā)育缺陷的表型。這些結(jié)果證明了：RAKs對RopGEF的磷酸化修飾是激活ROP信號途徑、調(diào)控下游生長發(fā)育的核心信號元件。
綜上所述，該研究鑒定了RAK-RopGEF這一關(guān)鍵功能模塊，揭示了蛋白磷酸化在生長素活化ROP的細(xì)胞表面信號通路中重要性，闡明了RAKs通過磷酸化精確調(diào)控RopGEF1的活性、亞細(xì)胞定位和蛋白穩(wěn)定性，進(jìn)而激活ROP的分子機(jī)制，為理解生長素如何精細(xì)調(diào)控細(xì)胞極性和植物的器官發(fā)生提供了重要理論依據(jù)。
生命科學(xué)學(xué)院陶利珍教授為論文通訊作者，生命科學(xué)學(xué)院已畢業(yè)博士生張曉晶為論文第一作者。已畢業(yè)的碩士江浩、博士生陳富海和袁偉超、劉慧麗副研究員參與了該項(xiàng)研究工作。美國馬薩諸塞大學(xué)安城分校的Alice Y. Cheng教授，Hen-Ming Wu教授參與了研究工作。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)王浩教授、李發(fā)強(qiáng)教授、高級實(shí)驗(yàn)師黃吉雷、劉傳荷老師和華南師范大學(xué)高彩吉教授對研究工作提供了重要支持。本研究獲得了國家自然科學(xué)基金的資助。
文/圖 生命科學(xué)學(xué)院 劉慧麗
初審/龔慧 復(fù)審/周海 終審/呂劍紅
