熊延团队揭示植物氮素营养-TOR信号通路分子机制

原创 Cell Press CellPress细胞科学 

生命科学 Life science

雷帕霉素靶蛋白TOR（Target Of Rapamycin）是真核生物体中一种高度保守的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，能够整合各种营养和生长因子调节蛋白翻译、代谢和细胞自噬等多个生物学过程，在细胞增殖、生长和代谢过程中发挥核心调节作用。熊延教授团队前期一系列研究发现植物碳源（糖）-TOR信号通路直接作用于转录因子E2Fa/b、核质穿梭蛋白EIN2、生长素转运蛋白PIN2，从而调控细胞分裂和生长；以及通过调控物质代谢参与生物钟调控。在动物和酵母细胞中，氨基酸可作为上游信号分子激活TOR来调控细胞增殖等过程。但是氮素营养是否调控植物TOR激酶以及其内在调控分子机理，迄今仍知之甚少。

2021年4月7日，福建农林大学海峡联合研究院林学中心熊延教授团队在Cell Press细胞出版社期刊Developmental Cell在线发表了题为“Diverse nitrogen signals activate convergent ROP2-TOR signaling in Arabidopsis”的研究论文，揭示了在植物谱系中，无机氮（硝酸根与铵根）和有机氮营养（谷氨酰胺等氨基酸）以彼此相互独立的信号方式激活ROP2-TOR通路，调控茎尖生长和发育的分子机制。

福建农林大学海峡联合研究院林学中心刘岩林副教授为该论文的第一作者。福建农林大学林学中心熊延教授为该论文的通讯作者。

Cell Press细胞出版社微信公众号对该论文作者团队进行了采访并对论文进行了解读，旨在与广大科研人员深入分享该研究成果以及一些未来的展望。

为探究氮素营养是否作用于植物TOR激酶，研究者通过构建一个新型液态的无机氮营养饥饿和恢复研究系统，发现随着氮饥饿时间的延长，植物茎尖TOR激酶活性及细胞分裂活性呈现相同的下降趋势，而短时间、低浓度无机氮恢复可以迅速重新激活TOR激酶及茎尖分裂活性。通过进一步的化学遗传学，细胞生物学和分子及生物化学分析发现植物氮素营养以不依赖于糖营养及激素信号的方式激活TOR激酶，促进植物茎尖叶原基细胞分裂活性。

该研究全面分析了不同氮素营养对TOR的激活，发现硝态氮（NO3-）和铵态氮（NH4+）分别以不依赖于其代谢通路的信号分子形式激活TOR激酶并促进茎尖活性，并揭示了在20种蛋白质源基础氨基酸中，共15种氨基酸能够以不同的激活能力作用于TOR激酶。令人惊奇的是，通过植物特有的乙醇酸途径、氮同化途径和硫同化途径合成的第一个氨基酸（Gly、Gln、Cys）展现出最强的TOR激活能力。更重要的是，代谢组学分析发现氮饥饿诱发根茎组织之间氮素营养的再分配，导致茎尖硝酸根、铵根和氨基酸显著降低，而根尖中的铵根和多种具有激活TOR能力的氨基酸大量富集。因此，在氮饥饿条件下，叶原基中的葡萄糖-TOR信号活性减弱，叶片生长被抑制，而根中的葡萄糖-TOR通路不受影响，保障了根的快速生长。

该研究继续探究了氮素营养信号如何作用于TOR激酶并促进植物茎尖生长。通过分析植物中特有的作为众多信号通路分子开关的small GTPase ROP2的持续激活突变体（CA-ROP2）的茎尖表型及TOR活性，发现CA-ROP2可以拮抗氮饥饿处理。进一步分析发现ROP2位于TOR激酶的上游，并且不同的氮营养信号都可以相互独立的激活ROP2活性，从而证实了不同的氮营养信号可以共同通过ROP2作用于TOR激酶，从而促进植物茎尖生长。

综上所述，该研究证明陆生植物进化出了一套特异的感受多种无机和有机氮素营养信号并激活TOR激酶的信号传导通路（有别于动物与酵母中的氨基酸-TOR通路），使得植物可以适应环境中多变的氮素营养供应从而精密的协调植物生长和发育进程。TOR激酶可以作为植物地上和地下器官碳-氮平衡调控的核心元件，协调植物正常的生长发育进程。

作者专访

Cell Press细胞出版社特别邀请论文第一作者刘岩林副教授代表研究团队进行了专访，请他为大家进一步详细解读。

CellPress：请问在植物中研究氨基酸信号调控作用的难点在哪里？

刘岩林副教授：与动物和酵母等异养生物需要体外摄入或添加必需氨基酸不同，植物作为光合自养型生物，它可以利用根系吸收的无机氮通过还原和转氨基作用合成自身所需的所有氨基酸，而且植物体内许多氨基酸合成通路关键步骤的基因突变或功能阻断都有可能导致植株的死亡。所以很难精细操控植物体内氨基酸的特定种类和浓度变化。与此同时，植物中许多氨基酸都可以作为信号分子来调控细胞多方面的功能，并且他们之间又可以通过代谢和转氨基作用相互转换，给我们精确研究和解析单个氨基酸信号调控植物生长发育也带来很多障碍。

CellPress：TOR激酶是调控真核生物生长发育的重要因子，但是为什么与动物相比，在植物中TOR信号的研究不够深入？

刘岩林副教授：TOR激酶作为营养信号感受的核心元件在动物和酵母系统中有着比较深入的研究，但在高等植物中对TOR信号通路的解析还不够深入，我们认为主要包括以下原因：（1）在动物和酵母系统中广泛使用的TOR激酶特异性抑制剂——雷帕霉素（Rapamycin）在高等植物中长时间被误认为对植物TOR激酶的抑制效果不佳，极大地阻碍了对植物TOR激酶的研究；（2）动物和酵母中发现的TOR激酶信号通路中的大部分上游调控组分在已测序的植物基因组中都没有发现它们的同源体，所以阻碍了植物中TOR激酶信号组分的鉴定；（3）植物中TOR基因失活突变体会导致植物胚胎死亡，从而难以得到植物中tor突变体遗传材料用于后续研究；（4）在植物系统中长时间没有建立起可靠且高效检测TOR激酶活性的手段，从而限制了TOR激酶信号通路的深入研究。而近十年来我们及其他课题组一起解析了植物对雷帕霉素不敏感性的认知误区、建立了稳定高效的TOR激酶活性检测手段、构建了多种激素或化合物可诱导的RNAi-tor基因沉默转基因株系，促使高等植物中TOR激酶的研究成果在近五年来呈现井喷态势。

CellPress：氮在TOR调控的拟南芥叶片生长中发挥怎样的作用？

刘岩林副教授：氮素通过植物根系吸收转运到植物的茎叶部，从而为植物茎叶生长和发育提供氮营养及信号调控作用。我们发现植物在遭遇氮饥饿胁迫时，会启动氮营养在茎和根的重新分配，将茎叶中的氮素（铵态氮和氨基酸）转运至根系中，从而在氮饥饿时，不断促进根的生长，引起茎叶中氮素极度匮乏，进而导致植物茎尖叶原基分裂停止和叶片生长受阻；当恢复氮素时，植物茎尖叶原基分裂活性被激活，从而促进叶片的生长。而在该氮饥饿与恢复处理中，TOR激酶起着至关重要的开关作用，在氮饥饿时，茎尖中TOR激酶活性慢慢丧失，从而导致叶原基细胞分裂S-期和DNA合成相关基因表达受阻，从而阻止叶原基细胞的分裂活性；相反，在氮恢复时，叶原基中TOR激酶被激活，从而促进细胞分裂S-期 和DNA合成相关基因的表达，进而激活叶原基细胞的分裂活性，并促进茎叶生长。所以氮营养在TOR调控的植物茎叶生长中主要发挥着信号调节作用，来调控植物茎尖叶原基的分裂活性以适应环境中氮营养供应的变化。

CellPress：在拟南芥叶片原基中，主要激活TOR的氮信号都有哪些？

刘岩林副教授：在拟南芥叶原基中,我们发现无机的硝态氮（NO3+）和铵态氮（NH4+）都可以作为彼此相互独立的信号分子激活茎尖TOR激酶活性；同时我们也全面解析了蛋白源的20种氨基酸中的15种氨基酸（包括Ala, Asn, Asp, Cys, Gln, Glu, Gly, His, Ile, Leu, Lys, Met, Ser, Thr和Val）具有不同的TOR激酶激活潜力。有趣的是，通过植物特有的乙醇酸途径、氮同化途径和硫同化途径合成的第一个氨基酸（Gly、Gln、Cys)展现出最强的TOR激活能力。这15种氨基酸中哪些氨基酸可以作为直接的信号分子作用于TOR激酶仍然需要进一步研究。需要指出的是，2020年的一项最新研究发现，在动物中，共有10中氨基酸（Ala、Leu、Val、Gln、His、Arg、Asn、Met、Thr、Ser）具有激活TOR的能力，这些氨基酸的主要依赖于糖酵解和线粒体的TCA循环。该些结果表明，有别于动物与酵母中的氨基酸-TOR通路，陆生植物进化出了一套特异的感受多种无机和有机氮素营养信号并激活TOR激酶的信号传导通路。

CellPress：小GTPase ROP2在TOR激活过程中扮演怎样的角色？

刘岩林副教授：小GTPase ROP2是属于植物中特有的一类Rho GTPase家族成员，前期研究发现ROP2可以作为重要的分子开关参与到许多重要的植物生长发育过程包括花粉管的生长与极性、叶表皮细胞的形态建成、蛋白质翻译调控及细胞分裂过程等。我们前期及本研究发现ROP2在生长素或氮营养信号处理下，非活性形式的ROP2-GDP转换为活性形式的ROP2-GTP，并作为TOR激酶上游的分子开关组分直接与TOR激酶复合体互作并激活TOR激酶活性。而在持续性激活形式的ROP2（CA-ROP2）突变体中，即使在无生长素处理或氮营养缺乏条件下，植物也表现出较强的TOR激酶活性。重要的是，生长素和氮素营养信号都是激活ROP2活性的必须信号，在氮素营养缺乏条件下，外源处理生长素并不能激活ROP2的活性。因此，小GTPase ROP2是一个重要的上游分子开关，可以整合上游的生长素激素信号和氮素营养信号来严格调控TOR的激活。

CellPress：接下来，您和您的团队的研究重点会在哪个方面？

刘岩林副教授：接下来，我们将进一步深入解析氮营养-TOR信号通路上游无机硝态氮和氨态氮及有机氨基酸作为信号分子如何被植物感受从而激活TOR激酶的分子机制，尤其将重点寻找和鉴定硝态氮、铵态氮和氨基酸信号的直接受体；同时，解析氮营养-TOR信号下游信号成分，从分子层面理解不同氮营养-TOR信号如何调控植物的生长发育。

作者简介

刘岩林 副教授

刘岩林，博士，目前任职于福建农林大学林学中心，副教授。2010年于黑龙江大学获得学士学位，2013年于兰州大学获得硕士学位，2017年于中科院上海植物逆境研究中心获得博士学位。主要研究领域和兴趣是研究和解析植物营养信号通路与环境信号协同调控植物生长和发育的分子机制。相关研究以第一作者或共同第一作者身份分别发表在Nature，Developmental Cell以及PNAS上。刘岩林博士曾获国家自然科学基金青年项目资助，并曾获得中国科学院大学优秀博士毕业生等荣誉称号。

▌论文标题：

Diverse nitrogen signals activate convergent ROP2-TOR signaling in Arabidopsis

▌论文网址：

https://www.cell.com/developmental-cell/fulltext/S1534-5807(21)00262-8

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.devcel.2021.03.022

阅读原文