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植物激素生长素（auxin）细胞表面信号传导机制的重大突破：ABP1-TMK1复合体介导的快速磷酸化响应与维管形成
作者及机构
该研究由Jiří Friml（通讯作者）领衔，联合来自奥地利科学技术研究所（IST Austria）、波兰西里西亚大学、荷兰瓦赫宁根大学、塞尔维亚贝尔格莱德大学、比利时根特大学、捷克马萨里克大学以及日本名古屋大学等15个机构的30余位科学家共同完成。研究成果于2022年9月15日发表在《Nature》期刊（Volume 609, pp. 575-581）。
学术背景
生长素（auxin）是调控植物生长发育的核心激素，其经典信号通路依赖于核内TIR1/AFB-Aux/IAA-ARF模块介导的转录重编程。然而，生长素诱导的快速非转录响应（如离子流调节、蛋白质磷酸化、运输反馈等）的分子机制长期未知。ABP1（auxin-binding protein 1）自1970年代被发现以来，其是否作为生长素受体一直存在争议。此前研究因突变体遗传背景问题（如相邻基因BSM的共缺失）导致结论矛盾。本研究旨在解决以下核心问题：
1. 拟南芥ABP1能否在典型质外体酸性pH下特异性结合生长素？
2. ABP1是否通过细胞表面定位的TMK1（transmembrane kinase 1）激酶介导快速磷酸化响应？
3. ABP1-TMK1模块如何调控生长素通道化（canalization）及维管再生？
研究流程与实验设计
1. ABP1的生长素结合特性验证
- 研究对象：拟南芥ABP1蛋白（野生型及M2X突变体）与TMK1胞外域（ECD）。
- 关键实验：
- 药物亲和靶标稳定性（DARTs）：证实ABP1-GFP在植物提取物中特异性结合IAA（indole-3-acetic acid），而非苯甲酸（benzoic acid）。
- 光栅耦合干涉仪（GCI）与微量热泳动（MST）：量化ABP1在pH 5.5（模拟质外体环境）下对IAA的结合亲和力（KD=15.1 μM），显著高于中性pH（KD=1,350 μM）。M2X突变体（H59V/H61V）丧失结合能力。
- 创新方法：开发高灵敏度GCI检测体系，首次实现植物激素受体在天然pH条件下的动力学分析。
2. ABP1的亚细胞定位
- 技术手段：高压冷冻-冷冻替代（high-pressure freezing/freeze-substitution）结合透射电镜（TEM）免疫金标记。
- 发现：
- ABP1主要定位于内质网（ER），但分泌组分（约5%）在质外体检测到，且IAA处理促进其形成质膜旁簇状聚集（3-20个颗粒）。
- 分辨率19 nm的盲法分析确认分泌信号的真实性，突破既往抗体交叉反应的技术局限。
3. ABP1-TMK1介导的快速磷酸化组学
- 实验设计：比较野生型、abp1-td1和tmk1-1突变体根尖在100 nM IAA处理2分钟后的磷酸化谱（4次生物学重复）。
- 结果：
- 野生型中1,119个磷酸位点（p-sites）超磷酸化，而突变体几乎完全丧失该响应。
- 共鉴定2,104个（tmk1-1）和2,589个（abp1-td1）组成型低磷酸化位点，重叠率极高（Fisher检验P<2.2×10^-16），包括质膜H+-ATP酶（aha2-T947）和肌球蛋白XI（myosin XI-S1234）。
- 技术亮点：首次建立“分钟级”植物激素磷酸化组学分析流程，时间分辨率达行业领先水平。
4. 下游生理功能验证
- 细胞层面：
- H+-ATP酶活性：abp1突变体根中IAA诱导的ATP水解活性降低40%（P=0.0018），与磷酸化数据一致。
- 胞质流动（cytoplasmic streaming）：野生型中IAA使细胞器运动速度提升2倍（P<0.0001），而突变体无响应。
- 发育层面：
- 维管再生实验：茎部切口后，abp1和tmk突变体无法形成绕伤口的维管通道（6天后完全再生率：野生型100% vs. abp1-td1 0%）。
- 生长素通道化：局部施加IAA时，pin1::pin1-gfp和dr5rev::gfp标记显示突变体无法建立PIN1极化运输通道。
5. 遗传互补实验
- 关键设计：在abp1-c1突变体中回补野生型ABP1或M2X变体。
- 结论：仅野生型ABP1能恢复维管再生（P<0.05），证实生长素结合活性是功能必需。
主要结果与逻辑链条
1. 分子机制：ABP1在质外体酸性环境结合IAA → 与TMK1互作 → 激活激酶级联 → 触发全局磷酸化（包括H+-ATP酶和肌球蛋白）。
2. 生理输出：磷酸化H+-ATP酶驱动细胞壁酸化；肌球蛋白调控PIN内吞与极性定位 → 实现生长素运输反馈 → 促进维管自组织。
3. 发育意义：ABP1-TMK1模块是连接快速信号与长期形态建成的“分子开关”。
结论与价值
1. 理论突破：确立ABP1为TMK1介导的细胞表面生长素受体，终结长达50年的学术争议。
2. 方法论贡献：建立植物激素非转录响应的研究范式，为解析其他激素快速作用提供模板。
3. 应用前景：靶向ABP1-TMK1通路可优化作物维管发育（如抗旱性）或组织再生（如嫁接技术）。
研究亮点
- 技术原创性：整合GCI、高压冷冻TEM和分钟级磷酸化组学，突破植物激素研究时空分辨率极限。
- 概念创新：揭示“快速磷酸化响应”与“慢发育调控”的因果关联，填补生长素信号网络的空白。
- 突变体严谨性：通过M2X变体互补实验，排除蛋白稳定性等混杂因素，直接证明生长素结合的功能必要性。
其他价值
研究还发现TMK家族功能冗余（tmk4表型最强），提示ABP1可能协同多成员工作。此外，ABP1分泌的调控机制（如ER逃逸信号）将成为未来研究重点。