分子伴侶HSP90可調控生長素的極性運輸

　　2021年6月4日，New Phytologist在線發表了希臘雅典農業大學Polydefkis Hatzopoulos和Dimitra Milioni為共同通訊作者的題為“HSP90 affects root growth in Arabidopsis by regulating the polar distribution of PIN1”的研究論文。該研究發現分子伴侶HSP90通過介導PIN1轉運蛋白的分布來調節生長素極性運輸，從而在生長素信號響應和植物發育過程中發揮至關重要的作用，同時也說明了該分子伴侶是生長素極性分布的基礎。

　　研究背景

　　生長素穩態和信號轉導影響植物多種發育過程。在熱脅迫下，熱休克蛋白HSP90作為分子伴侶，通過直接結合并穩定生長素受體TIR1參與植物對高溫環境的適應。抑制HSP90活性導致TIR1降解加快，以及生長素介導的生長過程受損。HSP90還與激酶、轉錄因子或油菜素內酯信號轉導組分互作以持續影響各種遺傳回路，促進生長發育。然而，HSP90 在整體生長素響應和體內穩態調節中的網絡機制尚未得到解決。

　　主要結果

　　1.根的向重力性和子葉脈狀模式的形成依賴于HSP90

　　生長素水平和轉運主要影響根系生長和重力響應，根系生長素的向頂運輸是通過中柱韌皮部和木質部細胞實現的。HSP90.1和HSP90.2在擬南芥根頂端和中柱表達。HSP90缺失的hsp90RNAi株系初生根長度與hsp90.1-4突變體類似，略短于Col-0。但hsp90RNAi10H和hsp90RNAi 9.84株系以及hsp90.2、hsp90.3和hsp90.4突變體的垂直生長指數（VGI）卻顯著降低，外源生長素可恢復根的向重力性反應。因此，HSP90可能在生長素介導的向重力性方面發揮功能。另外，側根的形成由最佳生長素運輸和分布所控制，hsp90RNAi株系初生根和側根的缺陷性發育說明HSP90參與根中生長素的運輸。外源添加生長素運輸抑制劑TIBA導致Col-0幼苗的生長素極性運輸發生缺陷，引發嚴重的向地性反應，而它對hsp90和hsp90RNAi根的向重力性作用有輕微但可檢測到的影響，這進一步表明HSP90參與生長素的極性運輸和分布（圖1）。

　　圖1. HSP90缺陷導致根發育受損

　　由于胞質HSP90基因主要在子葉脈表達，為此對hsp90RNAi和hsp90的子葉脈管模式組織進行分析表明HSP90可能通過引導生長素渠化過程來促進子葉脈管的復雜性和連通性。

　　2.抑制HSP90活性導致根和下胚軸細胞中PIN1發生錯誤定位

　　通過DR5::GUS表達模式檢測以及FluorA I熒光觀察發現，HSP90影響生長素信號轉導，并通過調控外排轉運蛋白在生長素的轉運和分布中發揮重要作用。PIN1是根系中柱重要的生長素外排轉運蛋白，并在側根形成過程中的生長素穩態中起決定性作用。在野生型分生區皮層細胞內，PIN1蛋白積累于根側細胞的質膜。與胞內低信號相比，PIN1-GFP在質膜中的信號增加。利用不同濃度的HSP90活性藥理抑制劑GDA處理以檢測HSP90抑制對PIN1表達和定位的影響，結果發現，分生區皮層內PIN1的熒光強度以GDA濃度依賴的方式降低。熒光觀察同時顯示，PIN1在質膜的定位減少而在胞內的積累增加（圖2）。通過進一步檢測發現，根的向重力性缺陷與質膜中PIN1的錯誤定位有關，而且根分生區PIN1的異位表達與HSP90缺失相關。

　　圖2. HSP90分子伴侶調控PIN1的定位

　　經測定發現，hsp90RNAi 10H、GDA處理和野生型下胚軸之間的垂直角偏差存在顯著差異，表明HSP90受抑制導致下胚軸負向重性嚴重受損。hsp90RNAi 10H下胚軸細胞中PIN1質膜/胞質熒光強度的相對比值較野生型對照顯著降低，與其在根細胞得到的結果類似。這導致hsp90RNAi 10H下胚軸變短。以上表明，HSP90活性在介導PIN1的質膜定位中發揮關鍵作用，進而影響生長素的頂端運輸和向重力性反應。

　　3.HSP90對于胚發育期間的PIN1定位至關重要

　　生長素在胚發育過程中的基頂軸形成中起關鍵作用，PIN1的極性定位在心形胚階段的子葉尖端和根分生區建立生長素最大值。HSP90.1和HSP90.2在心形胚和后期魚雷胚階段的表達突出。PIN1的原形成層極性定位在野生型心形胚中期較為明顯。而PIN1在hsp90RNAi 10H心形胚階段的原形成層分布顯示并無極性和特異性，在胚發育后期的定位也出現異常。且在胚胎發育后期，生長素積累模式發生偏差。表明HSP90在胚發育早期PIN1的正確定位和生長素響應中發揮重要作用。此外，利用成熟種子進行胚表型分析發現，HSP90缺失導致授粉后的胚發育延遲。

　　一圖解文

　　生長素極性運輸由PIN1外排轉運蛋白介導，并產生適當的生長素濃度梯度和最大值，以促進典型發育的正常發生（a）。HSP90缺失導致PIN1 轉運蛋白的錯誤定位，生長素運輸異常，從而致使生長素梯度和最大值以及重力反應發生改變。生長素分布受損導致子葉脈管系統異常、根發育和向重力性紊亂。

　　圖3. HSP90通過PIN1外排轉運蛋白在擬南芥生長素運輸中的作用模型