Nature Comm | 一条生长素氧化失活途径被揭示

责编 | 王一

生长素在植物生长发育中发挥重要作用，其稳态受到生物合成、极性运输和失活等多途径的协同调控。吲哚-3-乙酸 (IAA) 是植物体内最主要的生长素，过去的研究已经详细阐明了IAA的生物合成途径，并在拟南芥中报道了几类与IAA失活相关的酶。例如，（1）IAMT1和UGT84B1可以将IAA转化为无生物活性的IAA 甲酯或IAA-β-D-葡萄糖苷，但是iamt1 和 ugt84b1突变体并未表现出生长素过度积累表型 【1】 ；（2）DAO1可以将IAA转化为oxIAA （植物中最丰富的 IAA 代谢物） ，但是AtDAO1过表达株系并没有明显的生长素缺乏表型 【2】 ；（3）GH3基因编码的酰基酰胺合成酶，可以催化IAA 与氨基酸的结合，并且GH3亚组2的基因可以使拟南芥中的IAA失活 【3】 ；（4）IAA-Leu-Resistant1 ( ILR1 ) 是一种IAA-Leu 酰胺水解酶，可以在体外将IAA-氨基酸结合物转化为 IAA，但是其在植物体内的功能尚不清楚 【4】 。总之，尽管之前已经报道了关于植物体内生长素失活的分子机制，但是这些零散的研究并未系统展示IAA失活的生物学途径。

近日，日本Okayama University of Science的Ken-ichiro Hayashi团队及其合作者通过一系列分子与生化试验，将之前报道的IAA失活相关酶进行重排和功能验证，揭示了植物体内IAA氧化失活的完整途径。该研究成果以题为The main oxidative inactivation pathway of the plant hormone auxin发表在Nature Communications上。

研究人员首先通过CRISPR-Cas9生成多个无效突变体以验证不同IAA失活相关酶的贡献。结果表明，gh3-sept （gh3.1 2 3 4 5 6 17 septuple） 突变体表现出IAA过度积累表型，并且GH3 抑制剂可以通过抑制亚组2 GH3活性提高内源IAA水平，表明GH3通路在 IAA 失活中起核心作用。同时，该研究发现IAMT1 和 UGT84B1 并不在IAA稳态中发挥作用。

GH3 plays a central role in IAA inactivation

GH3s 可以将 IAA 转化为 IAA-Asp 和 IAA-Glu，并且有研究表明GH3和DAO途径会通过互补以维持IAA稳态，因此，gh3-sept突变体中由于GH3途径的失活预计会导致oxIAA （DAO途径） 的大量积累。然而，gh3-sept突变体中的oxIAA水平显著降低，并且GH3 抑制剂也会也会抑制oxIAA及其氧化产物dioxIAA的产生，这意味着oxIAA 的产生取决于 GH3 酶的存在，并且 AtDAO1 可能在同一途径中作用于 GH3 的下游。进一步研究发现，DAO主要作为 IAA-氨基酸氧化酶发挥作用，其将IAA-Asp 和 IAA-Glu （非IAA-Ala 或 IAA-Leu） 氧化为 oxIAA-Asp 和 oxIAA-Glu，进而调节植物体内的储存态IAA水平。

该研究还表明，ILR1/ILL酰胺水解酶也在植物IAA稳态调节中发挥作用，ilr1 ILL2 iar3三重突变体具有略微的IAA缺乏表型而ilr1ILL2iar3ill3四突表现出更严重的IAA缺乏表型，表明ILR1/ILL基因介导植物从储存态IAA （IAA-Asp 和 IAA-Glu） 释放IAA的过程中发挥功能。此外，GST-ILR1 酶可以有效水解oxIAA-Glu和oxIAA-Asp以释放oxIAA。

Structures of IAA metabolites and IAA inactivation pathways

综上所述，IAA 首先通过 GH3 酰胺合成酶转化为 IAA-氨基酸缀合物 （IAA-Asp 和 IAA-Glu） ，其可以通过ILR1/ILL 酰胺水解酶转化回 IAA，或者通过DAO1 双加氧酶不可逆地氧化成oxIAA-Asp和 oxIAA-Glu，并进一步被ILR1 水解以释放无活性的 oxIAA。该研究阐明了植物体内生长素的失活途径，为进一步研究阐明生长素梯度形成的动力学奠定了基础。

参考文献

【1】Aoi, Y. et al. UDP-glucosyltransferase UGT84B1 regulates the levels of indole3-acetic acid and phenylacetic acid in Arabidopsis. Biochem. Biophys. Res. Commun. 532, 244–250 (2020).

【2】Porco, S. et al. Dioxygenase-encoding AtDAO1 gene controls IAA oxidation and homeostasis in Arabidopsis. Proc. Natl Acad. Sci. USA 113, 11016–11021 (2016)

【3】Staswick, P. E. et al. Characterization of an Arabidopsis enzyme family that conjugates amino acids to indole-3-acetic acid. Plant Cell 17, 616–627 (2005).

【4】LeClere, S., Tellez, R., Rampey, R. A., Matsuda, S. P. & Bartel, B. Characterization of a family of IAA-amino acid conjugate hydrolases from Arabidopsis. J. Biol. Chem. 277, 20446–20452 (2002).

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-021-27020-1