Nature | 重磅！德国马普所发明可视化植物生长素的生物传感器！

生长素在植物生命中起着核心作用。该激素调节各种过程，从胚胎发育到根的形成，以及对光照和重力的定向生长。生长素与细胞核中的特定受体结合，导致信号级联的激活，协调植物对外部刺激的反应（Cell Reports | 生长素和SA信号通路之间的拮抗互作通过拟南芥的侧根调节细菌侵染！）。

2021年4月7日，国际顶级学术期刊Nature发表了德国马普发育生物学研究所Gerd Jürgens教授团队和拜罗伊特大学Birte Höcker教授团队的最新研究成果，题为A biosensor for the direct visualization of auxin的研究论文。本研究创造了一种新的工具，可以实时可视化活体植物细胞中的生长素。这种新的生物传感器使他们能够观察到植物激素的空间和时间重新分布动态，例如结合环境条件的变化。

细胞分辨率下生长素快速重新分配的首次可视化

尽管从生长机理上已经了解生长素的分子作用，但是到目前为止，直接观察单个细胞中的生长素尚不可行。相反，只能确定对生长素的总体反应和普遍存在。借助新型生物传感器，现在可以直接在单个植物细胞中可视化植物生长素。这样，在首次描述生长素在植物中的生理作用后近100年，可以首次观察到生长素的快速和动态重新分布，例如在根系定向生长改变时。

跨学科团队开发新型生物传感器

这种生物传感器AuxSen的开发是两个团队之间跨学科合作的结果，该团队在植物生物学和蛋白质生物化学领域建立了强大的协同作用。植物应该产生一种在生长素存在时发光的蛋白质，从而可以通过光学方法可视化生长素的分布。但是，实现这个研究目标有点复杂。研究人员从细菌大肠杆菌中选择了一种蛋白质，该蛋白质与氨基酸色氨酸特异性结合，而与化学相关的植物生长素结合较弱。该蛋白质与另外两个蛋白质结合，当用特定波长的光激发时，它们会发出荧光。当这两个荧光蛋白彼此靠近时，例如由于结合另一个分子，一个蛋白的激发能转移到另一个蛋白上，发生所谓的荧光共振能量转移（FRET）。

AUXSEN将灵敏度与生长素结合的高特异性结合在一起

工程过程的目标是，仅当AuxSen与生长素结合时，才会发生这种FRET效应。为此目的，必须对起始蛋白质进行实质性改变，以使其与生长素牢固结合，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。科研人员合成了具有色氨酸或生长素的蛋白质复合物的晶体结构，能够得出有关氨基酸交换对与生长素结合的影响的预测。令人惊讶的是，色氨酸和植物生长素这两个密切相关的分子在结合口袋中的取向截然不同。这使得以色氨酸为代价更容易改善与生长素的结合。在一个迭代过程中，总共产生了大约2,000个变体，并测试了它们与生长素的特异性结合，最终形成了AuxSen。

将AuxSen生物传感器从试管转移到转基因植物上，为寻找AuxSen表达的正确条件提出了另一项挑战。一方面，需要一种对生长素具有高结合亲和力的蛋白质，以便以高灵敏度检测生长素，并且该蛋白质应在所有细胞中以足够的量存在；另一方面，研究人员担心正常的生长素活性受到破坏，植物可能会遭受伤害。经过一些测试，发现了一个折衷方案。AuxSen无处不在且强烈表达，但只有在用化学试剂诱导后，在相对较短的时间内表达出来，这样植物才不会受到伤害。

植物中生长素重新分布动态的新发现

有哪些主要发现？一个出乎意料的发现是加入植物生长素后，其被细胞迅速吸收，反映出它们对变化的条件快速反应的能力，科研人员观察到一到两分钟内细胞核中AuxSen的最大反应。生长素从细胞中的输出似乎较慢，大约需要十分钟才能使AuxSen信号消失。摄取快和输出慢之间的这种差异可能促进生长素的定向运输，例如朝着根尖。特别令人感兴趣的是旋转植物后植物生长素快速重新分布，以使根尖不再向下而是对角向上。一分钟后，生长素在根尖的新底侧积聚，而在转回根部后，恢复了以前的生长素分布。

AuxSen的发布首先是一项具有巨大应用潜力的技术突破。此外，AuxSen还在其他间接的生长素报告基因无法接近的亚细胞区域揭示了生长素，目前的目标是通过优化表达系统和使用具有不同特征的荧光蛋白来改善对其他生物学问题的可能应用。研究结果向科学界提供了必要的材料。AuxSen很可能是在不久的将来阐明生长素在不同生物学环境中在时间和空间上的快速重新分布如何介导过去100年中这种非凡小分子的多种生理效应的起点。

图1：设计过程总结

图2：AuxSen的结构和工程过程中的关键步骤

图3：AuxSen对植物生长素处理的FRET比

图4：响应内源性生长素的传感器的FRET比

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