人体中没有哪个器官系统能像植物的根一样，为人类做出如此多的贡献。一部分是锚，一部分是口，植物的根系结构对它的成功至关重要。但是，培育新根的过程对植物来说是昂贵的，而且回报可能会递减。
植物如何决定适可而止并停止生根，这一点并不清楚。位于圣路易斯的华盛顿大学的一项新研究发现了一种细胞转运体，它连接着植物发育过程中最强大的两种激素——生长素和细胞分裂素——并展示了它们是如何参与抑制根的萌生和生长的。这是艺术和生物学副教授Lucia Strader的最新作品《科学》杂志将于7月18日在《发育细胞》(Developmental Cell)杂志上发表这篇文章。
副Strader说:“这是令人兴奋的，因为长期以来，我们已经知道生长素和细胞分裂素有相反的作用，但它们在侧根产生过程中如何影响另一种细胞分裂素之间的直接联系还没有得到很好的理解。”
侧根是水平伸出的根，就像手指向侧面伸展一样。它们构成了根质量的大部分。
她说:“我们的数据表明，细胞分裂素降低侧根产量的方法之一是通过增加这种转运体的水平来限制这种生长素前体对活性生长素的贡献。”
抽气并松开刹车
植物激素生长素几乎控制着植物生长发育的方方面面，包括刺激根系生长。此前的研究表明，另一种重要的激素细胞分裂素具有限制作用——控制新侧根可能发芽的位置，并确保相邻根之间有足够的间距。
然而，到目前为止，科学家们还没有确定这些激素“talk”是如何相互作用的。
通过对拟南芥模型植物的研究，斯特拉德破译了这段对话的关键。
TOB1表达于侧根发育的各个阶段。从TOB1 -1表达TOB1的共焦显微镜图像:YFP-TOB1，成像侧根(A)早期侧根起始，(B)发育侧根的自顶向下视图，(C)发育侧根的侧视图，(D)出现后，和(E)发育侧根尖端。(图片:礼貌发育细胞)斯特拉德发现，一种被她称为TOB1的细胞转运体可以将生长素前体转移到液泡中，从而将生长素前体隐藏起来。液泡是植物细胞中的一种器官，起着储存空间或握笔的作用。这一作用阻止了被称为IBA的前体代谢成成熟的生长素——具有促进根系生长的所有功能。
Strader说:“如果TOB1是刹车，细胞分裂素就是踩刹车的脚。”“这是在说应该有多少TOB1来抑制侧根的产生。”
植物可以根据需要增加或放松货舱。Strader和她的团队使用基因改造技术来消除这种转运体，并在下一代植物中发现了显著的效果。
斯特拉德说:“在不牺牲根系深度的情况下，去除这种转运体后，侧根的数量大约是野生型的两倍。”
Strader还用酵母和青蛙卵母细胞(在德国杜塞尔多夫海因里希海因里希大学的Wolf B. Frommer的帮助下)代替植物重复了她的某些实验，发现TOB1在这些系统中与IBA的转运蛋白一样有效。
对植物来说，缓慢但稳定可能更好
Strader的研究表明，她和她的合作者是如何从一个无偏的基因筛选开始，最终确定了植物发育中一个经常被忽视的方面的关键调控因子的——这个调控因子不容易被发现，因为根在地下。
拟南芥的根很小。两周大的时候，它的叶子比一角硬币还小，它的根像线一样透明。为了让侧根的生产过程暴露在阳光下，Strader向Danforth植物科学中心的首席研究员Christopher Topp寻求帮助。Topp使用了一种非破坏性的技术，捕捉了有史以来第一个在培养基中生长的拟南芥的三维序列图像——考虑到对这种模型植物进行了大量的研究，这是一个了不起的壮举。
选择25天龄WT (Col-0)和tob1-1植株的三维重建，每个数据点用颜色编码。在每个检测时间点上，tob1表现出比野生型更多的侧根。(克里斯托弗·托普，《发育细胞》视频)
他们的发现是有用的，因为调控根结构的分子机制还没有得到充分的研究。
了解植物为什么以及如何形成不同类型的根系结构，可以帮助植物更好地适应不同的土壤条件和环境。在后续的工作中，Strader已经开始研究TOB1突变体在不同微量元素土壤中的反应是如何不同的。
斯特拉德说:“当你踩下刹车时，你就会发疯。”“一开始，这看起来像是一种很好的农业特性。你想让土壤中的所有植物都探索更多的土壤来获得更多的营养，让更多的根进入水中。
“但是，如果你从来没有刹车，你就会浪费时间制造越来越多的刹车，”她说。“也许在植物生命周期的某个阶段，这种缓慢但稳定的方法比‘让我们在所有地方都种侧根’的方法要好。”
阅读更多:“IBA1的转运体连接生长素和细胞分裂素影响根结构，”Michniewicz等，2019，发育细胞。
资助:本研究由美国国家科学基金会(DGE-1143954 to T.A.E.)资助，William H. Danforth植物科学奖学金项目(资助S.K.P.)， IIA-1355406和IOS-1638507转到C.N.T.， MCB-1413254转W.F.国立卫生研究院(R01 GM112898至L.C.S.)、中央研究院洪堡德教授(W.F.)、台湾科技部(106-2311-B-001 -037 -MY3至C.H.H.)。
新闻旨在传播有益信息，英文原版地址：https://source.wustl.edu/2019/07/putting-the-brakes-on-lateral-root-development/