Nature：一种新工具令生长素首次可视化

一种生物传感器可以观察植物激素生长素在活细胞中的再分配动态。

　　

马克斯·普朗克发育生物学研究所和拜鲁特大学的一组科学家发明了一种新的工具，可以实时显示活植物细胞中的生长调节激素生长素。这种新的生物传感器使他们能够观察植物激素的时空再分配动态，例如与不断变化的环境条件相结合。

生长素在植物生命中起着核心作用。激素调节各种过程，从胚胎发育到根的形成，以及对光和重力的定向生长。生长素与细胞核中的特定受体结合，导致信号级联的激活，从而协调植物对外界刺激的反应。

虽然生长素的分子作用在机制上已被很好地理解，但直接观察单个细胞中的生长素到目前为止还不可行。取而代之的是，它只能确定整体的反应，并普遍存在的生长素。有了新的生物传感器，现在可以直接在单个植物细胞中观察生长素。这样，在首次描述生长素在植物中的生理作用近100年后，首次可以观察到生长素在改变根系生长方向时的快速动态再分配两个团队在植物生物学和蛋白质生物化学方面建立了强大的协同作用。这个目标很容易表达：植物应该产生一种蛋白质，当生长素存在时，这种蛋白质会发光，这样研究小组就可以用光学方法直观地观察生长素的分布。然而，这一过程要复杂一些。

研究人员从大肠杆菌中选择了一种蛋白质，这种蛋白质与氨基酸色氨酸特异结合，而与化学相关的生长素结合较差。这种蛋白质与另外两种蛋白质偶联，当被特定波长的光激发时会发出荧光。当这两个荧光蛋白彼此靠近时，例如由于与另一个分子结合，一个荧光蛋白的激发能转移到另一个荧光蛋白上，一种所谓的荧光共振能量转移（FRET）发生了。

生长素结合的敏感性和高特异性结合在一起

工程过程的目标是只有生长素与生长素结合时才会发生这种FRET效应。为了达到这个目的，必须对起始蛋白进行实质性的改变，以便与生长素紧密结合，而不再与色氨酸结合。生物化学在这个实验阶段变得至关重要。与色氨酸或生长素形成的蛋白质复合物的晶体结构已经产生，研究小组能够预测氨基酸交换对与生长素结合的影响。”对我们来说，看到色氨酸和生长素这两个密切相关的分子在结合袋中的取向非常不同，这是令人惊讶的这使得以色氨酸为代价来改善与生长素的结合变得更容易。“总共，在一个反复的过程中产生了大约2000个变体，这些变体被测试了它们与生长素的特异性结合，最终导致了生长素的产生。

将生长素生物传感器从试管转移到转基因植物中提出了另一个寻找生长素的挑战AuxSen表达式的正确条件。有一个进退两难的问题。一方面，为了高灵敏度地检测生长素，需要一种与生长素具有高结合亲和力的蛋白质，而这种蛋白质应该在所有细胞中都有足够数量的存在；另一方面，研究人员担心生长素的正常活性被破坏，植物可能会受到影响。经过一番测试，找到了折衷方案。生长素广泛而强烈地表达，但只有在用化学试剂诱导后，然后在相对较短的时间内表达，这样植物才不会受到伤害。

关于生长素在植物中的再分配动态的新的和令人惊讶的发现

关键发现是什么？一个意想不到的发现是，细胞迅速吸收生长素，反映了它们对变化的条件作出快速反应的能力——在添加生长素后，研究小组观察到，细胞核中的生长素在1到2分钟内有最大反应。从细胞中输出生长素的速度似乎较慢，大约需要10分钟，生长素信号才能消失。快速吸收和缓慢输出之间的差异可能有助于生长素的定向运输，例如向根尖运输。

特别有趣的是，植物旋转后生长素的快速再分配，使根尖不再向下而是斜向上。仅仅过了一分钟，生长素就在根尖新的底部积累起来，在把根转回来后，生长素原来的分布就恢复了。”第一作者OleHerudSikimic和MartinaKolb评论道。这种快速和可逆的反应是没有预料到的。也不可能衡量这一点。

AuxSen的出版首先是一项具有巨大应用潜力的技术突破。两位资深作者来自Bayreuth大学的Birte H&ouml；cker和来自Max-Planck发育生物学研究所的Gerd J&uuml；rgens的结论是：“我们已经证明，生长素浓度的增加和减少都可以在组织中实时显示，这在以前是不可能的。此外，生长素在亚细胞区域显示生长素，其他间接生长素报告者无法进入。目前的目标是通过优化表达系统和使用具有不同特性的荧光蛋白来提高其在其他生物学问题上的可能应用。我们现在正在向科学界提供必要的材料。“奥克森很可能是在不久的将来阐明在时间和空间上如何迅速地重新分配，在过去的100年里，生长素在不同的生物环境中介导了这种显著的小分子的多种生理效应

Journal Reference:

1. Ole Herud-Sikimić, Andre C. Stiel, Martina Kolb, Sooruban Shanmugaratnam, Kenneth W. Berendzen, Christian Feldhaus, Birte Höcker, Gerd Jürgens. A biosensor for the directvisualization of auxin. Nature, 2021; DOI: 10.1038/s41586-021-03425-2