王志勇教授解析植物激素指揮系統

　　陽光不僅是地球的能量源，也是指導植物生長的環境信號。植物對光的敏感性引起了科學家的強烈興趣，了解植物對光和溫度的敏感性能幫助改進農業生產，為人類提供更多的糧食。近日，卡內基研究院王志勇教授的實驗室在Nature Cell Biology雜志上連發兩篇文章，揭示了植物應對光和熱環境改變的激素效應的關鍵因素。

　　為了獲得最佳光照，植物必須依據光照條件改變其生長。例如，種子在地下發芽，需要快速伸長莖以到達土壤表面;當植物被鄰居遮擋了光照，就會使莖生長得更高來競爭陽光;而在完全的日照下，植物則優先展開葉片。與所有生物一樣，植物生長和發育也受到被稱為激素的體內化學信號的調節。植物如何協調其對于光照和激素信號的應答，是科學家感興趣的主要問題之一。了解植物整合多種環境和激素信號的核心調控機制，有望幫助人們提高農作物產量。而這一核心調控機制正是王志勇教授實驗室這兩篇文章的焦點。

　　光介導的黃化到去黃化的轉變已經被廣泛研究了多年。15年前正是這一研究發現了甾醇類激素油菜素內酯brassinosteroid，這種物質在植物界廣泛存在，并調控生長和發育的多個方面。

　　油菜素內酯的生理效應與另一種激素赤霉素相似。但人們還不了解這兩種激素在分子水平上的聯系。這項研究闡明了油菜素內酯調節基因表達的分子通路，并發現了這兩種激素的聯系。

　　這兩篇文章描述了油菜素內酯的信號通路與光、溫度、赤霉素信號分子通路的關鍵性交叉。揭示了多種環境和激素信號調控植物生長和發育的方式。也揭示了一個整合多種信號并將其轉化為生長調控的“指揮系統”。

　　此前普遍的觀點是，環境信號影響內源激素來調節植物生長，而王教授的研究發現了令人驚訝的現象，光照并不影響油菜素內酯。相反，油菜素內酯對植物光敏性有重要影響，不僅對介導光響應的蛋白水平進行調節，還提供了一個必要的轉錄因子PIF4。油菜素內酯激活的BZR1蛋白和暗穩定的PIF4蛋白組成了一個復合體，促使黃化過程所需的基因表達。

　　PIF4的光照失活或BZR1缺失，會引起去黃化和抑制細胞伸長。研究顯示，已知由PIF4介導的高溫生長效應，也需要BZR1-PIF4復合體的形成。

　　油菜素內酯和赤霉素是高等植物中誘導類似生長效應的主要生長促進激素。研究顯示赤霉素的細胞伸長效應依賴于細胞核中油菜素內酯和活性BZR1蛋白的存在。這是因為赤霉素是通過去除使BZR1失活的抑制蛋白DELLA，使BZR1調控基因表達更有效來起作用。如果沒有油菜素內酯和BZR1，赤霉素對細胞生長幾乎沒有影響。

　　研究顯示油菜素內酯為細胞伸長生長提供了必要因子，而赤霉素對這一因子的活性進行量化控制。赤霉素會受到光照和壓力等環境條件的影響，而不同器官中的油菜素內酯水平相差很大。PIF4、DELLA和BZR1的相互作用形成了一個“指揮系統”，有效將環境條件、內源條件和發育程序整合起來，形成控制植物生長的“指令”。

　　“這一指揮系統不僅能接受多種信號，同時也應該能輸出信號，因為該系統的各組分既相互依賴地作用于同一目標，也能獨立作用于不同的目標基因，”王教授說。“這一復雜網絡具有多個層面，控制著植物生長和發育的主要過程，我們相信該網絡將成為提高農作物產量的基因工程的重要靶點。”