Science | 新发现！植物内源性视黄醛是一种重要信号分子，参与调节侧根的发生

责编 | 王一

侧根是植物生命过程中吸收水分和养分的关键器官，研究表明，侧根的器官发生通常受到根系生物钟的调控，并且生物钟介导的基因表达的振荡依赖于未知的代谢产物 【1】 。在动物中的研究表明，β-胡萝卜素衍生的类视黄醇类物质 （retinoid） 在体细胞的生物钟振荡、神经发生和脉管系统发育中发挥重要功能 【2】 ，但是目前尚不清楚类视黄醇类物质是否同样介导植物根系生物钟振荡和侧根发育。

8月27日，美国Duke University的研究人员在Science在线发表了题为A plant lipocalin promotes retinal-mediated oscillatory lateral root initiation的研究论文。该研究发现在拟南芥中揭示了视黄醛通过与其结合蛋白TIL（TEMPERATURE INDUCED LIPOCALIN） 的相互作用调节根生物钟振荡并介导侧根形成的机制。

在该研究中，研究人员通过部花菁染料 （MCA，一种类视黄醇结合蛋白的化学报告剂） 检测根中是否存在类视黄醇互作蛋白，结果在根分生区 （而非成熟区） 发现高水平MCA荧光，并且早期分化区存在MCA荧光脉冲。进一步研究发现，MCA信号先于pDR5:LUC表征的根生物钟发生，并且可以预测侧根器官发生位置。之后，研究人员通过类胡萝卜素代谢的化学抑制剂 （D15） 处理，发现DR5生物钟振荡减弱、侧根起始受阻，同时伴随着分生组织中的MCA荧光水平和分化区MCA荧光脉冲频率的降低。这些结果表明，类视黄醇信号在根系生物钟上游发挥作用。

在此基础上，该研究通过GC-MS检测发现，D15可以导致拟南芥中四种化合物的显著降低，包括视黄醛 （apo16） 、14' -apo-β-胡萝卜素 （apo14） 、12'-apo-β-胡萝卜素 (apo12) 和10'-apo-β-胡萝卜素 (apo10) 。视黄醛、apo14和apo12的外源添加可以显著增加被D15抑制的根系DR15振荡频率，同时视黄醛和apo14恢复了D15抑制的初生根生长和侧根能力，表明视黄醛和apo14在诱导侧根器官发生中发挥作用。此外，apo14末端双键的酶促或非酶促反应会氧化生成视黄醛，并且视黄醛可以恢复D15处理的根系中分生组织中的MCA信号强度。以上结果充分表明，视黄醛是介导根系生物钟和侧根发生的关键信号分子。

Retinal rescues D15 inhibition of the root clock and lateral root organogenesis

该研究进一步将拟南芥与在藻类/脊椎动物的视黄醛结合蛋白比对，发现在拟南芥根系表达的初级脂质转运蛋白TIL （TEMPERATURE INDUCED LIPOCALIN，AT5G58070） 与脊椎动物视黄醛结合蛋白4 （RBP4） 具有序列及结构同源性，并且转录分析结果也显示，TIL表达和根系生物钟具有时空一致性。TIL表达在分生组织中最强，在早期分化区振荡，这进一步表明TIL是潜在的植物视黄醛结合蛋白。异源表达结果显示，TIL显著增加了MCA荧光，表明它与MCA相互作用，而将视黄醛 （而非与之具有化学相似性的其他化合物） 用于表达TIL的大肠杆菌则会显著降低MCA荧光，这表明视黄醛与MCA竞争结合TIL。

TIL is a plant lipocalin that interacts with retinal

该研究还发现，TIL等位基因突变 （til-1） 导致根系生物钟振荡被抑制、MCA荧光减弱并且DR5振荡达到峰值后启动侧根原基的速度减慢，这表明TIL可以调节视黄醛信号转导、根生物钟振荡和前分支位点形成。此外，与WT相比，til-1株系对D15的敏感性增加但是对视黄醛的敏感性显著降低，再次表明TIL参与视黄醛介导的侧根发育。

综上所述，该研究发现了视黄醛是诱导根系生物钟振荡和侧根器官发生的内源性代谢物。该研究还鉴定了一个视黄醛结合蛋白TIL，其在视黄醛信号感知和调节根系生物钟中发挥重要作用。

参考文献

【1】M. A. Moreno-Risueno, J. M. Van Norman, A. Moreno, J. Zhang, S. E. Ahnert, P. N. Benfey, Oscillating gene expression determines competence for periodic Arabidopsis root branching. Science 329, 1306–1311 (2010).

【2】M. B. Wahl, C. Deng, M. Lewandoski, O. Pourquié, FGF signaling acts upstream of the NOTCH and WNT signaling pathways to control segmentation clock oscillations in mouse somitogenesis. Development 134, 4033–4041 (2007).

论文链接：

http://science.sciencemag.org/content/early/2021/08/25/science.abf7461