生长素通过TMK激酶调控根尖分生组织活性的分子机制

Root systems are central to sessile plants for water and nutrients acquisition and responses to heterogeneous soil conditions. Cell proliferation and growth in root apical meristem is important for the physiological adaptation of plant roots, and is controlled strictly by internal developmental cues, nutrients, hormones and external environmental signals. Our previous studies have revealed that auxin combined with glucose signals targets to the conserved protein kinase target of rapamycin (TOR) to regulate root meristem activity. However, the detailed molecular mechanism underlying auxin signaling regulation for root meristem activation remains poorly understood. Interestingly, we found that the multiple tmk mutants showed the root growth defects which was insensitive to both auxin and glucose treatment. Further analysis suggests these mutants also showed the severe cell proliferation defects and low TOR kinase activity, indicating that TMK kinase may participate in auxin/glucose-TOR signaling dependent activation of root meristem. In this proposal, we will further explore the underlying mechanism about how the auxin-TMK signaling pathway activates TOR kinase and coordinate with glucose to regulate plant root meristematic cell division activity.

植物的根器官主要参与水分和营养的吸收及与土壤微环境的交流，并能够迅速调整自身的生长发育来适应环境的变化。根的快速适应性在细胞水平主要取决于根尖分生组织细胞分裂和生长的活性。根尖分生组织活性受到内外源信号调控的分子机制极其复杂。课题组前期研究表明，生长素协同葡萄糖信号通过激活雷帕霉素靶激酶TOR及下游信号通路调节根尖分生组织的细胞分裂活性，然而生长素信号途径如何精准调控该过程尚不清楚。本课题的研究发现，生长素信号途径的关键因子TMK激酶家族可能参与TOR激酶信号依赖的根尖细胞分裂活性调控，首先tmk多突变体主根生长对生长素及葡萄糖响应敏感性降低，且根尖细胞分裂活性显著减低；其次TMK蛋白功能缺失导致根尖TOR激酶活性下降。结合前期结果，本项目将探索生长素通过TMK激酶调控TOR激酶信号途径的分子机制，最终解析生长素对根尖分生组织活性调控的机制，同时解析该信号通路协同葡萄糖信号途径的分子机制。

在植物进化历程中，根系结构的出现是植物适应从水生到陆生环境转变的重要生活史对策。根的环境适应性在细胞水平主要取决于根尖分生组织的细胞分裂和生长的活性。根尖分生组织活性受到内外源信号共同调控的分子机制极其复杂。植物激素生长素协同葡萄糖信号通过激活ROP2-TOR活性及下游信号通路调节根尖分生组织活性，然而生长素信号途径如何精准调控该过程仍待阐明。.类受体跨膜蛋白家族TMK介导的生长素信号途径的发现，拓宽了对生长素调控植物生长发育过程的认识。随着TMK功能研究的深入，我们发现tmk突变体根尖分生组织活性对葡萄糖-TOR信号响应不敏感。基于此，我们采用蛋白质互作组学和酵母双杂交筛选相结合的方法，研究了与根尖分生组织活性调节相关，同时与TMK存在相互作用的蛋白；研究了目标蛋白与TMK蛋白在分子，细胞，生化和遗传层面的互作关系；解析了生长素通过TMK激酶调节植物根尖分生组织活性的分子机制。.表型分析发现，tmk突变体主根生长对生长素及葡萄糖响应敏感性降低，且根尖细胞分裂活性显著减低；TMK蛋白功能缺失导致根尖TOR激酶活性下降。酵母双杂交，植物体内免疫共沉淀和双分子荧光互补证实了TMK和GEF存在相互作用。与tmk突变体类似，gef突变体根尖分生组织呈现出葡萄糖-TOR信号不敏感的表型。体内和体外互作实验发现GEF和ROP2相互作用，调节ROP2活性，并介导生长素-TMK信号激活ROP2-TOR活性，这一工作揭示了生长素信号调节根尖分生组织活性的分子机制。