植物生长素（Auxin）作为植物生长发育的 “指挥家”，在植物从胚胎发育到繁殖的整个生命周期中，发挥着至关重要的作用。它就像一把神奇的钥匙，几乎参与调控了植物生命的方方面面，从种子发芽时根的生长方向，到幼苗期茎的伸长、叶片的展开，再到开花结果时花朵的发育和果实的形成，都离不开生长素的精细调节。

在过去很长一段时间里，科学家们认为已经掌握了生长素发挥作用的核心机制 —— 经典的生长素信号通路。在这个通路中，TIR1（transport inhibitor response 1）/AFB（auxin signalling F-box protein）作为生长素受体，与 Aux（auxin）/IAA（indole - 3 - acetic acid）共受体相互协作，就像一个精密的分子机器。当生长素出现时，它会与 TIR1/AFB 受体结合，使得受体能够识别并结合 Aux/IAA 转录抑制因子，然后给这些抑制因子贴上 “降解标签”—— 泛素化，从而让它们被细胞内的 “垃圾处理厂”—— 蛋白酶体降解。这样一来，被抑制的生长素响应因子（ARF，auxin response factor）转录因子就得以解放，开始启动一系列基因的转录，完成生长素调控植物生长发育的使命。这一模型被广泛接受，并且在近二十年的时间里几乎没有受到挑战，一直被视为植物生长素信号传导领域的 “教科书式” 范例。

然而，随着研究的不断深入，一些新的现象开始让科学家们感到困惑。就像平静的湖面被投入了一颗石子，泛起了层层涟漪。近年来，研究人员意外发现，TIR1/AFB 生长素受体竟然还具有一种全新的功能 —— 腺苷酸环化酶（AC，adenylate cyclase）活性。当生长素与受体结合后，除了引发 Aux/IAA 的降解，还会促使受体产生环磷酸腺苷（cAMP，cyclic adenosine monophosphate）。这个发现就像在黑暗中点亮了一盏新的灯，照亮了未知的角落，但同时也带来了更多的疑问：cAMP 在植物生长素信号传导中到底扮演着怎样的角色？它是一个无关紧要的 “小插曲”，还是隐藏着重大秘密的关键环节呢？经典的生长素信号传导模型是否需要被重新审视和修正？

为了揭开这些谜团，来自奥地利科学技术研究所（Institute of Science and Technology Austria）等机构的研究人员，在 Ji?í Friml 的带领下，踏上了一段充满挑战的科研之旅。他们的研究成果发表在《Nature》杂志上，为我们揭示了一个全新的生长素信号传导世界。

研究人员在这场探索之旅中，运用了多种关键技术方法。他们通过构建转基因拟南芥植株，巧妙地对 TIR1 的 AC 活性进行操控，就像给 TIR1 安装了一个 “开关”，可以随意控制其 AC 活性的开启和关闭。在这个过程中，他们精心挑选了不同的基因片段，利用先进的分子生物学技术，将其导入拟南芥的基因组中，创造出具有特定基因编辑的植株。同时，借助蛋白质纯化技术，他们成功获取了高纯度的目标蛋白质，这些蛋白质就像珍贵的 “样本宝藏”，为后续的实验提供了关键材料。RNA 测序技术则帮助他们全面了解植物基因的表达变化，就像一个 “基因探测器”，能够精准地检测出在不同条件下基因的活动情况，为研究提供了丰富的数据支持。

下面让我们详细看看他们的研究结果：

1. TIR1 AC 活性与 Aux/IAA 降解：研究人员利用 TIR1 AC 突变体（TIR1ACm1和 TIR1ACm3），深入探究 TIR1 AC 活性在下游生长素信号传导中的作用。通过一系列巧妙的实验，如 pull - down 实验，他们发现这些突变体并不影响 TIR1 与 ASK1 亚基的相互作用，这表明SCFTIR1复合物的组装是正常的。进一步的实验，如将 R2D2 报告基因和多个 UBQ10::IAAs - luciferase 系与 ccvTIR1 转基因系杂交，结果显示，即使 TIR1 的 AC 活性丧失，生长素诱导的 Aux/IAAs 降解依然能够正常进行。这一结果就像打破了传统认知的 “壁垒”，表明 TIR1/AFBs 的 AC 活性和SCFTIR1 E3 连接酶活性是相互独立的。

2. Aux/IAA 稳定突变体与 cAMP 产生：在互补实验中，研究人员反向探究 Aux/IAA 降解对 AC 活性的影响。他们表达并纯化了 AFB5、AXR2、AXR3 及其突变体，通过体外 AC 活性实验发现，只有当 IAA 与正常的 AXR2 或 AXR3 结合时，才能增强 AC 活性，而与突变的 axr2 或 axr3 结合则无法实现。在体内实验中，他们构建了诱导型 XVE>>axr3 - mCherry 转基因系，结果表明，稳定表达的 axr3 会导致生长素诱导的 cAMP 积累消失。这一系列实验清晰地表明，TIR1/AFB - Aux/IAA 相互作用对于生长素诱导的 TIR1/AFBs 的 AC 活性刺激是必不可少的。

3. TIR1 AC 活性对转录激活的作用：为了研究 AC 活性在调节 TIR1/AFBs 介导的转录中的作用，研究人员将转录生长素信号输出传感器 DR5::Luciferase 引入不同的转基因植株中。实验结果令人惊讶，当 TIR1 的 AC 活性缺失时，生长素诱导的 DR5::Luc 激活显著降低甚至完全消失，这表明 TIR1 AC 活性对于生长素诱导的转录是不可或缺的。RNA 测序结果也进一步证实，TIR1 AC 活性缺失会严重削弱生长素诱导的全局转录重编程，这就像一个 “信号开关”，AC 活性正常时，转录信号能够顺利传递，而一旦缺失，信号就会被 “截断”。

4. TIR1 AC 活性对生长素调节发育的影响：研究人员通过将不同的转基因植株引入 tir1 afb2 突变体背景中，研究 TIR1 AC 活性对生长素调节发育的重要性。实验发现，TIR1 AC 活性缺失的植株在侧根形成、根毛生长和下胚轴伸长等方面都存在严重缺陷。这表明 TIR1 AC 活性不仅对生长素诱导的根生长抑制和向地性至关重要，对于其他典型的由转录生长素信号介导的发育过程也起着关键作用，就像一个 “总指挥官”，掌控着植物生长发育的多个关键环节。

5. cAMP 对转录和发育的作用：为了验证 cAMP 的作用，研究人员构建了能够独立产生 cAMP 的转基因植株。他们将 KUP5 或 LRRAC1 的 AC 结构域与 axr3 融合，结果发现，当这些融合蛋白表达时，能够激活 DR5 转录生长素反应，并且在发育过程中表现出类似生长素的作用。这一结果表明，局部产生的 cAMP 可以绕过生长素感知和 Aux/IAAs 降解，直接激活 ARF 介导的转录，就像开辟了一条新的 “信号高速公路”，让信号能够快速传递并发挥作用。

综合这些研究结果，研究人员得出结论：TIR1 产生的 cAMP 作为一种真正的第二信使，在转录生长素信号传导中起着不可或缺的作用。这一发现彻底改写了传统的生长素信号传导范式，揭示了 cAMP 在激活 ARF 介导的转录方面的关键作用。以往认为 Aux/IAAs 降解是激活 ARF 转录的关键步骤这一观念被颠覆，现在看来，cAMP 的产生才是更为关键的因素。

此外，研究还表明，虽然 Aux/IAAs 降解在生长素信号传导中的具体作用仍有待进一步明确，但它可能作为一种负反馈机制，调节 TIR1/AFBs 介导的 cAMP 产生。同时，随着种子植物中 Aux/IAA 家族的不断扩展，它很可能还具有其他重要功能，比如在不同环境下为 ARF 提供更持久的去抑制作用，或者赋予转录反应特异性。

这项研究成果意义重大，它不仅为我们深入理解植物生长素信号传导机制打开了一扇新的大门，还为未来的植物生长调控研究提供了全新的思路和方向。就像在黑暗中摸索许久后，终于找到了一条光明的道路，让我们对植物生长发育的奥秘有了更深刻的认识，也为农业生产、植物生物技术等领域的发展带来了新的希望。

打赏

下载安捷伦电子书《通过细胞代谢揭示新的药物靶点》探索如何通过代谢分析促进您的药物发现研究

10x Genomics新品Visium HD 开启单细胞分辨率的全转录组空间分析！

欢迎下载Twist《不断变化的CRISPR筛选格局》电子书

单细胞测序入门大讲堂 - 深入了解从第一个单细胞实验设计到数据质控与可视化解析

下载《细胞内蛋白质互作分析方法电子书》