细胞分裂素依赖赤霉素生物合成与信号传导调控拟南芥营养阶段转变的多维机制

这篇研究揭示了细胞分裂素(CK)通过调控赤霉素(GA)的生物合成基因GA3ox1/GA3ox2和信号传导抑制因子GAI/RGA，以级联方式促进拟南芥营养阶段转变(VPC)。研究发现CK-GA通路通过miR172-TOE1/TOE2模块调控表皮特性，而叶片形态则涉及更复杂的AP2-like转录因子网络，颠覆了传统认为CK与GA拮抗作用的认知，为植物发育激素互作提供了新范式。

　　

引言

植物生命周期中的营养阶段转变(VPC)是决定其发育进程的关键节点，由高度保守的年龄通路调控，包括miR156/miR157-SPL模块及其下游miR172-AP2-like模块。赤霉素(GA)和细胞分裂素(CK)作为调控VPC的重要植物激素，均能通过调节SPL活性影响miR172水平。本研究突破性地发现CK与GA之间存在上位性关系——CK作用依赖于GA通路，这与既往报道的激素拮抗作用形成鲜明对比。

GA部分补偿CK缺陷的表型证据

通过构建CK信号增强突变体rock2与GA合成缺陷突变体ga1、ga3ox1 ga3ox2的杂交组合，发现rock2无法挽救ga1完全丧失表皮毛的缺陷，也不能逆转ga3ox1 ga3ox2叶片圆形化表型。反向实验显示，外源GA₄₊₇处理能完全恢复CK受体突变体ahk2 ahk3和CK降解酶过表达株系CKX1ox的VPC延迟。这些遗传学证据表明，CK调控VPC需要功能性GA通路支持。

CK正向调控GA生物合成

转录组分析揭示，CK缺陷导致GA生物合成关键基因表达下调：

• 起始步骤基因GA1（编码ent-贝壳杉烯合成酶CPS）和GA2在CKX1ox中下调2-3倍
• 活性GA合成限速酶GA20ox1/2和GA3ox1/2在ahk2 ahk3中表达量降低50%
• CK处理1小时内即可诱导GA20ox2表达激增15倍

代谢组数据进一步显示，CK缺陷株系中非13-羟基化GA代谢物GA₄及其降解产物GA₃₄含量显著降低，而前体GA₁₂和GA₉无显著变化，证实CK特异性调控GA₄合成途径。

DELLA蛋白GAI/RGA的关键作用

遗传互作实验发现：

• 在ahk2 ahk3背景中，rga单突变使幼叶数量减少11%，gai突变则表现出"隐藏"功能
• gai rga双突变完全消除ahk2 ahk3的VPC延迟表型
• 但gai rga对叶片形状无影响，暗示CK调控不同VPC特征存在通路分歧

值得注意的是，虽然GA受体突变体gid1b gid1c表现出VPC延迟，但rock2仍能部分挽救该表型，提示GID1A可能介导CK信号传递或存在非经典GA信号途径。

SPL与AP2-like因子的差异化调控

通过构建六重spl突变体(spl2,9,10,11,13,15)发现：

• rock2在缺失SPL9时完全丧失促进表皮毛形成的能力
• 但对spl六重突变体的叶片伸长仍有30%促进作用
• toe1 toe2双突变在CK缺陷背景下意外增加叶长宽比

这些结果颠覆了传统认知：SPL9是CK调控表皮特性的必需中介，而叶片形态调控可能通过TOE1/TOE2等AP2-like因子实现，揭示了VPC不同性状的模块化调控机制。

讨论与展望

本研究建立了CK-GA调控VPC的级联模型：CK通过ARR1/10/12激活GA生物合成基因→产生GA₄→解除GAI/RGA对SPL9的抑制→促进miR172表达→抑制TOE1/TOE2→触发表皮毛形成。这种协同作用模式与KNOX-SPY介导的经典CK-GA拮抗通路形成有趣对比，暗示激素互作具有显著的上下文依赖性。未来研究可深入探索：

1. GA受体亚型的功能特异性
2. SPL-ARR-DELLA蛋白复合物的动态组装机制
3. 非经典GA信号在叶片形态建成中的作用
   为作物株型改良提供新的理论依据。