Comparative mutant analyses reveal a novel mechanism of ARF regulation in land plants：一项揭示陆生植物 ARF 调控新机制的重要研究

为解决生长素如何精确调控众多植物发育过程，以及 B 类 ARF 蛋白的调控机制及演化问题，研究人员开展了玉米和小立碗藓（Physcomitrium patens）显性 B 类 ARF 突变体的比较分析研究。结果发现了陆生植物中 B 类 ARF 蛋白水平调控的古老机制，这为理解生长素调控植物发育增添了关键信息。

　　在植物的奇妙世界里，生长素（auxin）就像一位神奇的指挥家，掌控着植物生长发育的众多进程，从细胞命运的抉择，到器官的起始、形态塑造，再到整个植株的架构搭建，都离不开它的参与。然而，这位 “指挥家” 究竟是如何精确调控这一切的，一直是植物生物学领域尚未解开的谜团。其中，生长素信号通路中的关键角色 —— 生长素响应因子（ARF），尤其是 B 类 ARF，其作用机制和调控方式更是迷雾重重。目前，虽然已知 ARF 在生长素调控中意义重大，但 B 类 ARF 的具体调控机制以及它在进化过程中的演变，我们仍知之甚少。为了揭开这些谜团，来自美国加利福尼亚大学圣地亚哥分校、杜克大学等多个研究机构的研究人员展开了深入研究。他们的研究成果发表在《Nature Plants》上，为我们理解植物生长素调控机制带来了新的曙光。
研究人员采用了比较突变分析的方法，对玉米（Zea mays）和小立碗藓（Physcomitrium patens）这两种在进化上相距约 5 亿年的物种进行研究。通过对它们的显性 B 类 ARF 突变体进行分析，探究 B 类 ARF 蛋白的调控机制。
在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。首先是基因编辑技术，对小立碗藓的相关基因进行编辑，以验证基因变异与表型之间的关系。其次是 RNA 测序（RNA-seq）技术，分析基因表达的变化，从而了解突变对生长素响应基因的影响。此外，蛋白质免疫印迹（western blot）技术也被用于检测蛋白质的丰度和稳定性。
研究结果如下：

1. Truffula 具有多效性缺陷：研究人员在玉米中发现了 Truffula（Trf）突变体，它表现出植株变矮、叶片数量增加、雄穗和雄穗花出现雌穗特征等多效性缺陷。通过全基因组测序（WGS）和连锁分析，确定了 Trf 突变与 ZmARF28 基因的一个单核苷酸多态性（SNP）相关，该突变导致 ZmARF28 蛋白的 DBD 区域发生丝氨酸（Ser）到天冬酰胺（Asn）的变化12。
2. Trf 与 ZmARF28 的突变相关：RNA-seq 分析表明，Trf 突变影响了 ZmARF28 蛋白的活性或翻译后调控，进而改变了生长素的转录响应。虽然 ZmARF28 基因的表达水平在 Trf 突变体中没有显著差异，但潜在的 B 类 ARF 靶基因既有上调也有下调，这表明 ZmARF28 的作用可能不仅仅是作为简单的抑制因子3。
3. 小立碗藓 B 类 ARF 突变导致生长素抗性：在小立碗藓中，研究人员发现了四个 NAA 抗性（nar）突变体，它们的 B 类 ARF 基因（PpARFb2 和 PpARFb4）存在错义突变。这些突变体在生长素调控的细胞分化过程中存在缺陷，表现出对生长素的抗性，并且 proDR5:DsRed2 生长素信号报告基因的表达显著降低4。
4. 所有主要结构域对显性表型都至关重要：通过对小立碗藓 pparfb2 突变体引入影响关键结构域的第二位点突变，研究发现 DNA 结合、TPL 招募和 PB1 介导的寡聚化等 ARF 蛋白的所有已知功能，都对突变体的显性表型起着重要作用5。
5. 突变增加 B 类 ARF 的稳定性：研究表明，玉米 Trf 和小立碗藓 arfb 突变体的表型，是由于 ZmARF28 和 PpARFb 蛋白的积累所致。突变破坏了 B 类 ARF 蛋白中一个保守区域，该区域是蛋白酶体依赖性降解所必需的，从而导致蛋白稳定性增加6。
   研究结论和讨论部分指出，该研究揭示了陆生植物中 B 类 ARF 蛋白水平调控的古老机制，这一机制在约 5 亿年的进化过程中得以保守。B 类 ARF 蛋白水平的变化会影响植物的细胞命运决定，进而影响植物的发育。例如，在小立碗藓中，B 类 ARF 蛋白的积累会阻碍或延迟向叶状配子体的分化；在玉米中，ZmARF28 的积累可能影响分生组织细胞命运、叶片的中侧模式形成和性别决定。此外，研究还发现，尽管 B 类 ARF 蛋白在序列水平上缺乏保守性，但在不同陆生植物中，其 DBD 区域内的一个短区域在决定蛋白水平方面起着至关重要的作用。这一发现为进一步研究 ARF 蛋白的调控机制提供了重要线索，也让我们对生长素调控植物发育的复杂过程有了更深入的理解。未来，研究人员可以进一步探究这一调控机制在其他植物物种中的普遍性，以及该机制与其他生长素调控途径之间的相互作用，为植物生物学的发展开辟更广阔的道路。