山东大学丁兆军团队揭示VIK激酶介导生长素信号调控侧根发生的重要新机制

植物科学最前沿 · 公众号 · 科研 · 2024-07-06 16:10

主要观点总结

山东大学生命科学学院丁兆军教授团队在国际学术期刊Advanced Science上发表研究论文，解析了蛋白激酶VIK介导生长素信号调控侧根发育的分子机制。研究通过蛋白质磷酸化组学分析，筛选到快速响应生长素的蛋白激酶VIK。生长素促进VIK的磷酸化和转录表达，VIK正调控侧根的发生。VIK与LBD18和ERF13存在直接的相互作用，并调控它们的蛋白活性。VIK通过直接磷酸化并稳定LBD18和降解ERF13来调控侧根的发育和萌发。本研究揭示了VIK介导的生长素信号在侧根形成中的分子机制，并丰富了我们对生长素通过关键激酶调控蛋白磷酸化修饰以实现其信号传递机制的理解。

关键观点总结

关键观点1: 研究背景及目的

近年来，越来越多的研究发现蛋白的磷酸化修饰在生长素信号传导过程中发挥着不可替代的作用。虽然生长素能诱发普遍的细胞蛋白质磷酸化修饰，但其调控机制和生物学意义依然有待于进一步深入研究。为了鉴定生长素信号下游潜在的磷酸化修饰蛋白，开展此项研究。

关键观点2: 研究主要成果

研究通过蛋白质磷酸化组学分析，筛选到快速响应生长素的蛋白激酶VIK。生长素促进VIK的磷酸化和转录表达，并发现VIK正调控侧根的发生。VIK与LBD18和ERF13存在直接的相互作用，并调控它们的蛋白活性。

关键观点3: VIK的作用机制

VIK通过直接磷酸化并稳定LBD18和降解ERF13来调控侧根的发育和萌发。这一机制不仅阐明了VIK在侧根形成中的分子机制，也揭示了生长素通过关键激酶调控蛋白磷酸化修饰以实现其信号传递的机制。

关键观点4: 研究的深远影响

本研究不仅为植物根系发育的调控机制提供了新的见解，也为我们理解生长素信号传导机制提供了更深入的认识。此外，该研究的成果也得到了相关基金的支持，并涉及到多个合作单位和参与者的贡献。

正文

近日，山东大学生命科学学院丁兆军教授团队在国际学术期刊 Advanced Science 上发表了题为 VIK-mediated Auxin Signaling Regulates Lateral Root Development in Arabidopsis 的研究论文（https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202402442），解析了蛋白激酶VIK介导生长素信号调控侧根发育的分子机制。

生长素是调控植物生长发育的关键激素之一。经典受体E3泛素连接酶TIR1/AFBs通过泛素化降解抑制子AUX/IAAs，解除对ARFs转录因子的抑制，进而调控下游基因的表达完成信号的传递。近年来，越来越多的研究发现，蛋白的磷酸化修饰在生长素信号传导过程中也发挥着不可替代的作用。虽然生长素能诱发普遍的细胞蛋白质磷酸化修饰，但其调控机制和生物学意义依然有待于进一步深入研究。

为了鉴定生长素信号下游潜在的磷酸化修饰蛋白，该研究结合生长素处理，对萌发10天后的拟南芥幼苗根组织开展蛋白质磷酸化组学分析，并筛选到快速响应生长素的蛋白激酶VIK（图1A）。蛋白磷酸化分析显示，相比对照组，生长素处理15 min即可明显诱导VIK的磷酸化（图1B）。通过体外磷酸化实验，作者发现，跨膜激酶TMK1能直接磷酸化VIK，暗示它可能是介导生长素信号激活VIK的关键上游激酶。另外，生长素处理不影响VIK的蛋白稳定性（图1C），却能显著促进它的转录表达（图1D），且该过程依赖于ARF7/19转录因子。

图1. 生长素促进VIK的磷酸化和转录表达

表型分析显示，相比野生型， vik 突变体的侧根密度明显降低（图2A-C），超表达植株则显著增加（图2B,C），表明VIK正调控侧根的发生。重力诱导处理的结果显示，相比野生型， vik 突变体中，侧根发育的进程明显减慢。通过观察荧光报告株系，作者发现VIK在主根的中柱、内皮层、皮层和表皮层，以及不同发育时期的侧根中都有表达（图2D）。亚细胞定位的结果显示，VIK是一个核质定位的蛋白。另外，生长素处理大幅诱导野生型侧根密度增加的表型，在 vik 突变体中明显被抑制（图2E,F）。这些结果表明，VIK在生长素促进的侧根发生过程中发挥关键角色。

图2. VIK介导生长素信号正调控侧根发生

对磷酸化组学结果进行进一步分析，作者发现，两个参与侧根发生的关键因子LBD18（侧根发生的正调控因子）和ERF13（侧根发生的负调控因子）的磷酸化水平也受到生长素的显著诱导。另外，荧光定量PCR的结果显示， vik 突变体中， LBD18 和 ERF13 的转录表达没有明显变化，但它们下游基因的转录水平却显著变化。这些结果暗示VIK可能调控LBD18和ERF13的蛋白活性。

共聚焦显微镜观察的结果显示，LBD18在侧根发育过程中的表达模式与VIK相似，这在时空上支持了它们之间调控的可能性。利用双分子荧光互补实验和pull down实验，作者证明VIK与LBD18存在直接的相互作用（图3A,B）。磷酸化分析的结果也显示，VIK能直接磷酸化LBD18蛋白（图3C）。体外磷酸化联合质谱分析，作者获得LBD18蛋白上两个潜在的磷酸化位点：Ser255和Ser257。对这两个位点进行突变发现，VIK对LBD18的磷酸化水平明显降低（图3D）。为了确定VIK磷酸化LBD18的生物学意义，通过蛋白降解实验，作者发现，在 vik 突变体中，LBD18蛋白的稳定性明显降低（图3E,F）。表型分析的结果也显示， vik 突变体背景下，LBD18促进侧根形成的能力显著下降（图3G,H）。这些结果表明，VIK通过直接磷酸化并稳定LBD18，正调控侧根的发生。

图3. VIK磷酸化并稳定LBD18调控侧根的发育

利用多种方法，作者证明VIK直接与ERF13互作。体外磷酸化的实验结果显示，VIK能直接磷酸化ERF13（图4A,B）。利用磷酸化质谱分析，获得了ERF13蛋白上被VIK识别的潜在磷酸化位点：Ser168和Ser172，并证明它们是VIK磷酸化 ERF13的主效位点（图4C）。为了进一步分析ERF13磷酸化修饰的意义，作者检测ERF13蛋白的稳定性，相比野生型， vik 突变体和过表达背景的材料中，ERF13的降解速率明显减慢和加快（图5A,B）。另外，体外和体内的分析也显示，相比野生型的ERF13，磷酸化失活和磷酸化模拟形式的ERF13蛋白降解速率分别表现出更慢和更快的趋势（图5C,D）。研究还发现，ERF13能反过来促进VIK的磷酸化水平（图4D），暗示了VIK可能以正反馈的方式调控 ERF13磷酸化降解。

图4. VIK以正反馈的方式磷酸化ERF13

图5. VIK介导的磷酸化促进ERF13的降解

ERF13蛋白负调控侧根原基从第IV期向第V期转变的进程，最终抑制侧根的萌发。与之前的报道一致，作者发现，ERF13超表达能明显抑制侧根的萌发（图6A,B），但在 vik 突变体和 VIK 超表达背景下，侧根萌发抑制的现象分别被加重和缓解（图6A,B）。另外，作者也发现，相比ERF13的超表达植株，超表达模拟磷酸化形式的ERF13也能缓解侧根萌发抑制的情况（图6C,D）。这些结果表明，VIK通过直接磷酸化ERF13，并促进它的降解，进而解除对侧根萌发的抑制。

图6. VIK介导的ERF13磷酸化促进侧根的萌发

综上所述，蛋白激酶VIK通过响应生长素信号，构建VIK-LBD18/ERF13蛋白质磷酸化修饰模块，稳定正调控因子LBD18和降解负调控因子ERF13，正向调控侧根的形成（图7）。

本研究不仅阐明了VIK介导的生长素信号在侧根形成中的分子机制，揭示了一条关键的侧根发生信号通路，还丰富了我们对生长素通过关键激酶调控蛋白磷酸化修饰以实现其信号传递机制的理解。

图7. VIK调控侧根发育的模式图

山东大学博士后商二磊为该论文第一作者，丁兆军教授为通讯作者。硕士研究生魏凯静和青岛农业大学吕丙盛教授对此做出重要贡献。