JIPB南方科技大学郭红卫课题组发现植物器官不对称生长起始的新机制

正如人在背负重物之前需要弯腰一般，大部分双子叶植物种子萌发后，幼苗在突破土壤获取光之前通常会在下胚轴的顶部形成一个弯曲的拱形结构来保护幼嫩的茎尖分生组织和子叶，这一结构被称为顶端弯钩(apical hook)。顶端弯钩发育缺陷通常会导致幼苗出土受阻，存活率降低。除了其重要的生理作用，顶端弯钩的发育过程也被当作研究植物器官不对称生长的重要模型。使用以植物不敏感的远红外作为光源的延时摄影技术，研究者发现顶端弯钩的发育过程是高度动态的，根据其弯曲角度将其发育过程细分为起始 (initiation)、形成(formation)、维持 (Maintenance) 、打开(Opening)这四个阶段 (Raz and Ecker, 1999)。随后的研究发现顶端弯钩弯曲结构形成的基础是弯钩内外两侧细胞的差异化生长(differential growth)，而调控这一差异化生长的核心机制是植物激素生长素在顶端弯钩处的不对称分布和响应：在弯钩内侧，高浓度生长素抑制细胞伸长，而在弯钩外侧，较低浓度生长素使细胞快速伸长，从而促进了顶端弯钩的发育(图1) (Beziat and Kleine-Vehn, 2018)。

在过去的十年中，郭红卫课题组一直关注植物幼苗顶端弯钩的发育调控机制 (An et al., 2012; Zhang et al., 2014; Zhang et al., 2018; Huang et al., 2020; Aizezi et al., 2021)。包括来自其他同行的多项重要研究成果表明，模式植物拟南芥通过使用PIFs 和 EIN3/EIL1这两组核心转录因子共同整合多种内部激素信号网络，包括乙烯，赤霉素，茉莉酸，水杨酸，细胞分裂素等，和外部光信号来促进重要弯钩调节因子HOOKLESS1的表达和生长素不对称响应的建立，以达到顶端弯钩正常发育的目的 (图1) (Wang and Guo, 2019)。这些研究细致地揭示了调控弯钩维持阶段和打开阶段的一系列重要分子机制，但是对顶端弯钩早期起始阶段的调控很少涉及，其中一个很重要的原因是缺少高时空分辨率的动态成像手段。因此，“顶端弯钩究竟是如何起始的、生长素不对称响应是何时建立的 ？”仍然是萦绕于该领域的基础谜题。

JIPB近日在线发表了南方科技大学郭红卫课题组题为“Growth asymmetry precedes differential auxin response during apical hook initiation in Arabidopsis”（https://doi.org/10.1111/jipb.13190）的研究论文。该研究结合高通量植物幼苗表型成像平台(DynaPlant )和荧光共聚焦显微技术对拟南芥幼苗顶端弯钩的起始阶段和形成阶段进行了细致的观测，提出了一个由早期生长不对称过渡到顶端弯钩逐步形成的新模型 (图2)。

首先通过观察比较不同摆放趋向种子中顶端弯钩形成的方式，研究者发现顶端弯钩的发育并不是由种子内存在的胚胎折叠预先决定的；尽管胚根向重力性弯曲可以促进顶端弯钩的起始阶段，但是胚根竖直向下摆放的种子也可以正常地发育出顶端弯钩。通过2D回旋器和突变体分析等一系列实验，研究者进一步地证实了重力感知对于顶端弯钩的发育是非必要的。这些发现很大程度上拓展了以往报道的“胚根重力响应诱导顶端弯钩发生”的机制 (Zhu et al., 2019)。

那么顶端弯钩究竟是如何以非重力依赖的方式起始的呢？带着这一疑问，研究者仔细观察并分析了胚根竖直向下摆放的种子中顶端弯钩的动态发育过程以及这一过程中生长素不对称响应的建立。在这种情形下，种子萌发后下胚轴最初完全直立伸长，直到下胚轴的顶端随机出现一个微弱但可以显著分辨的生长不对称（growth asymmetry），顶端弯钩才开始逐渐形成。令人惊奇的是，这种微弱的生长不对称发生于可检测到的生长素不对称响应之前，并且在很大程度上是独立于生长素的合成、运输和信号转导的。

随后通过一系列的巧妙的表型观察，遗传分析和细胞生物学实验，研究人员发现外部机械力可以通过促进生长素不对称响应的建立，进一步稳定和放大这种生长不对称，从而促进弯钩扩大 （hook enlargement）。其中，周质微管骨架（functional CMTs）通过调控生长素外流蛋白PIN1 和 PIN3 的极性分布促进了生长素在弯钩内侧的大量积累，并对于弯钩扩大至关重要。在此过程中，机械力、周质微管、弯钩调控因子HLS1都不可或缺。

这些发现刷新了以往对生长素调控顶端弯钩发育机制的理解，揭示了顶端弯钩最初的起始并不依赖于生长素不对称响应，相反地，幼苗通过建立长素不对称响应放大了这种看似随机的、微小的生长不对称。后续研究将继续深入探索是什么因素产生了最初的生长不对称，以及这种生长不对称是如何触发生长素不对称响应的建立。

综上，该工作系统性地描绘了顶端弯钩起始的动态过程和新的发育机制，概念性地提出了一种“早期随机、微小的组织形变通过细胞骨架机器和植物激素信号等过程进一步稳固和放大，从而形成显著的差异生长” 的形态建成模式，为相关研究提供了很好的启示和示例。南方科技大学-香港浸会大学联合培养博士生彭旸为该论文的第一作者，南方科技大学生科院张丹，肖志娜，裘喻平和李文阳博士也参与了研究工作，郭红卫教授和王益川高级工程师为共同通讯作者。Microlens科技有限公司纪玉锶博士和香港浸会大学夏亦荠教授也参与部分工作并对本研究提出了建设性意见。该研究得到了国家自然科学基金、广东省植物细胞工厂分子设计重点实验室基金、深圳市科创委的资助。

参考文献

Aizezi, Y., Shu, H., Zhang, L., Zhao, H., Peng, Y., Lan, H., Xie, Y., Li, J., Wang, Y., Guo, H., and Jiang, K. (2021). Cytokinin regulates apical hook development via the coordinated actions of EIN3/EIL1 and PIF transcription factors in Arabidopsis. J. Exp. Bot.

An, F., Zhang, X., Zhu, Z., Ji, Y., He, W., Jiang, Z., Li, M., and Guo, H. (2012). Coordinated regulation of apical hook development by gibberellins and ethylene in etiolated Arabidopsis seedlings. Cell Res. 22: 915-927.

Beziat, C., and Kleine-Vehn, J. (2018). The road to auxin-dependent growth repression and promotion in apical hooks. Curr. Biol. 28: R519-R525.

Huang, P., Dong, Z., Guo, P., Zhang, X., Qiu, Y., Li, B., Wang, Y., and Guo, H. (2020). Salicylic Acid Suppresses Apical Hook Formation via NPR1-Mediated Repression of EIN3 and EIL1 in Arabidopsis. Plant Cell 32: 612-629.

Raz, V., and Ecker, J.R. (1999). Regulation of differential growth in the apical hook of Arabidopsis. Development 126: 3661-3668.

Wang, Y., and Guo, H. (2019). On hormonal regulation of the dynamic apical hook development. New Phytol. 222: 1230-1234.

Zhang, X., Ji, Y., Xue, C., Ma, H., Xi, Y., Huang, P., Wang, H., An, F., Li, B., Wang, Y., and Guo, H. (2018). Integrated regulation of apical hook development by transcriptional coupling of EIN3/EIL1 and PIFs in Arabidopsis. Plant Cell 30: 1971-1988.

Zhang, X., Zhu, Z., An, F., Hao, D., Li, P., Song, J., Yi, C., and Guo, H. (2014). Jasmonate-Activated MYC2 Represses ETHYLENE INSENSITIVE3 Activity to Antagonize Ethylene-Promoted Apical Hook Formation in Arabidopsis. Plant Cell 26: 1105-1117.

Zhu, Q., Gallemi, M., Pospisil, J., Zadnikova, P., Strnad, M., and Benkova, E. (2019). Root gravity response module guides differential growth determining both root bending and apical hook formation in Arabidopsis. Development 146.