拟南芥主根生长素合成的自我调控机制

Auxin, as a typical hormone with the concentration dependent effects, regulates almost all aspects of plant development. Either Over-production or reduced auxin level cause severe growth defects in plant, which suggest the local auxin level should be precisely controlled during plant development. Local auxin concentration is regulated by both auxin polar transport and auxin biosynthesis. Polar auxin transport has been reported to be essential for plant growth, however, the molecular mechanism in regulating auxin biosynthesis has largely unexplored. Here we found that TMK4 as a key component in auxin signaling participated in auxin biosynthesis. tmk4 mutant displayed the increased root hair number and the enlarged meristem zone size, which suggest the auxin level in root was higher than in wild-type. We also showed that TMK4 directly interacted with TAA1, which is a key enzyme for auxin biosynthesis. Taken together with our previous data that auxin can activate TMK4, we hypothesized that auxin self-regulates its biosynthesis through the activation of TMK4 and the manipulation of TAA1 protein. In this proposal, we would investigate to obtain insights into the mechanism by which auxin regulates its biosynthesis through its signaling pathway.

生长素是植物中最典型的依赖于其自身浓度行使功能的激素，并且参与调控植物发育的各个阶段。生长素的过多或者过少都会导致严重的发育缺陷，因此局部生长素的浓度必须受到严格精确的调控，才能保证植物正常发育。生长素的浓度主要依靠其自身合成和运输来调控。许多研究已证明生长素的极性运输对于植物发育的重要作用，但生长素合成的调控机制研究依然较少。我们的研究发现，生长素信号转导的关键因子TMK4可能参与调控生长素合成，首先在tmk4突变体中根部生长素浓度升高，并表现出根毛增多，根分生组织变大等生长素相关表型。其次我们通过蛋白质组学及生化分析发现TMK4和生长素合成关键酶TAA1特异性互作。结合前期结果生长素能够直接激活TMK4激酶，我们提出假设，生长素通过激活TMK4激酶，直接调控TAA1，进而精准调控生长素自身合成。根据此假设，我们将通过遗传生化细胞的方法，全面解析生长素合成自调控的分子机制。

生长素是植物中最重要的激素之一，已有研究表明生长素的功能依赖于其浓度和所在植物组织。生长素的生物合成是植物中生长素的最主要来源，在植物响应发育信号和应对环境信号中扮演着极其重要的角色。在模式植物拟南芥中，TAA1/TARs-YUCs介导的生长素合成途径是目前研究最清楚也是最主要的合成途径。TAA1/TARs家族转氨酶将色氨酸催化形成中间产物IPA（吲哚丙酮酸），再由YUCs家族酶将IPA催化生成IAA（吲哚乙酸），最终为植物提供生长素来源。已有研究证实生长素合成的关键酶TAA1/TARs和YUCs基因的时空转录调控是植物调节生长素合成以响应内源及外界信号的重要途径，但转录调控并不能完全诠释生长素合成在植物体内的动态调节，也预示着其存在非转录调控模式。本项目的研究首次揭示了生长素合成在翻译后水平的调控新机制。通过磷酸化质谱技术鉴定到生长素合成关键酶TAA1蛋白在体内存在磷酸化修饰，经过体外酶活实验验证其101位苏氨酸（T101）的磷酸化状态是控制TAA1转氨酶催化活性的开关。体内实验证明TAA1蛋白的磷酸化修饰调控生长素合成从而决定生长素的局部浓度最终参与根尖分生组织及根毛等发育过程的精准调控。进一步研究发现，生长素信号通路的关键元件类受体激酶TMK4（TRANS-MEMBRANE KINASE 4）与TAA1互作，通过磷酸化TAA1的T101位点负调控生长素的合成和相关的生长发育过程。生长素部分通过TMK4调控TAA1的磷酸化水平，形成了生长素合成的负反馈调控机制，维持生长素在植物体内的浓度稳态。此外，TAA1的磷酸化位点在植物界高度保守，T101同源位点的磷酸化修饰在低等植物地钱中具有相似的功能，暗示了生长素合成的转录后调控机制在进化中的重要意义。本项目的研究还提供了许多新的线索，如TAA1蛋白存在其他磷酸化位点也参与TAA1功能的调控，TAA1蛋白还存在其他的互作激酶，这些工作的下一步研究将多方位揭示植物调控生长素合成的信号网络。综上所述，我们的发现首次提出生长素合成在蛋白水平的调控机制，为探索植物生长素浓度的调控机制提供了新的思路和方向，帮助人们更好地理解植物如何通过调节体内生长素浓度的变化去应对复杂的发育信号和环境信号。