深圳理工大学教授Nature发文 破解植物细胞第二信使

中国网讯 你知道吗？我们身边的植物其实都像精密运行的“智能工厂”，每片叶子的舒展、每个根须的伸长都遵循着复杂的“工作指令”。

3月6日，深圳理工大学合成生物学院特任教授祁林林与奥地利科学技术研究所（ISTA）Jiří Friml团队合作，破解了植物王国的这一神秘密码，在Nature杂志上揭晓了一个颠覆教科书的重要发现——原来植物细胞里除了众所周知的“指挥官”——生长素，还有一位至关重要的“传令兵”——环磷酸腺苷，cAMP。

该研究首次用遗传学证据证实了cAMP是植物细胞的第二信使，为后续研究开辟了新的理论探索方向。

如果把植物的生长控制系统想象成一个繁忙的城市交通枢纽，那么生长素就如同手持通行证的“指挥官”，每当它出现，就会触发一系列特殊通道的开启。

在过去的二十年里，科学界普遍认为，这个“指挥官”必须通过某种特定方式（生长素结合并促进受体TIR1／AFB与共受体Aux／IAA之间的相互作用，TIR1蛋白中的E3泛素连接酶活性促使Aux／IAA的泛素化和降解，进而解除其对ARF转录因子的抑制作用）才能让车辆（下游基因表达）开始行驶。

然而，科研人员发现，其实还存在另一条秘密隧道（cAMP信号通路），即使原有的红绿灯系统（Aux／IAA蛋白）还在正常运作，这条隧道也能让车辆畅通无阻。

cAMP是生长素信号转导途径中的第二信使

实际上，2022年，祁林林在Jiří Friml团队从事博士后研究期间，曾作为第一作者在Nature发文首次报道了TIR1／AFB受体家族还具有AC活性，可通过催化三磷酸腺苷（ATP）生成cAMP，调控根系生长，抑制和向地性反应。

不过，当时他们对TIR1／AFB的AC活性和E3泛素连接酶活性之间的关系并不清楚，AC活性的产物cAMP是否确实在生长素信号转导途径中发挥第二信使的作用也有待证实。

此次，科研团队通过一系列实验发现，Aux／IAA具有双重角色，它既是泛素化降解通路的核心元件，又是AC活性调控的关键开关。同时，生长素受体TIR1／AFB的AC活性缺失并不影响Aux／IAA蛋白降解，但会造成生长素诱导的转录调控受阻，说明Aux／IAA蛋白降解不足以充分介导生长素转录反应，也就是拆掉“刹车片”并不会必然使植物生长程序启动。

他们进一步通过诱导表达人工构建的融合蛋白在Aux／IAA－ARF附近产生cAMP，它可以绕过TIR1／AFB对生长素的感知和Aux／IAA的降解途径，在转录抑制子Aux／IAA稳定存在的情况上，仍然能够激活ARF转录因子介导的转录程序，达到模拟生长素的生物学效应，说明在该实验体系下cAMP足以启动生长素转录反应，同时也证明在此条件下Aux／IAA降解并非生长素转录调控反应的必要条件。意即，在生长素介导的植物发育中，生长程序启动也可以不需要拆掉“刹车片”，只要有cAMP就行。

该研究表明，Aux／IAA的降解不一定是介导下游转录调控的充分且必要条件，TIR1蛋白的AC活性及其产物cAMP也在生长素信号转导中起着不可或缺的作用。

据介绍，Jiří Friml为本文通讯作者，ISTA博士研究生陈辉煌、祁林林、ISTA邹敏霞博士为本文共同第一作者。美国加州大学圣地亚哥分校教授、美国科学院院士Mark Estelle和英国利兹大学教授Stefan Kepinski对本文提出了建设性意见。该项目得到了欧洲研究委员会、奥地利科学基金会、中国国家自然科学基金面上项目、ISTA ICP和欧洲分子生物学组织博士后奖学金的支持。（深圳理工大学供稿）