分子伴侣HSP90可调控生长素的极性运输
2021年6月4日，New Phytologist在线发表了希腊雅典农业大学Polydefkis Hatzopoulos和Dimitra Milioni为共同通讯作者的题为“HSP90 affects root growth in Arabidopsis by regulating the polar distribution of PIN1”的研究论文。该研究发现分子伴侣HSP90通过介导PIN1转运蛋白的分布来调节生长素极性运输，从而在生长素信号响应和植物发育过程中发挥至关重要的作用，同时也说明了该分子伴侣是生长素极性分布的基础。
研究背景
生长素稳态和信号转导影响植物多种发育过程。在热胁迫下，热休克蛋白HSP90作为分子伴侣，通过直接结合并稳定生长素受体TIR1参与植物对高温环境的适应。抑制HSP90活性导致TIR1降解加快，以及生长素介导的生长过程受损。HSP90还与激酶、转录因子或油菜素内酯信号转导组分互作以持续影响各种遗传回路，促进生长发育。然而，HSP90 在整体生长素响应和体内稳态调节中的网络机制尚未得到解决。
主要结果
1.根的向重力性和子叶脉状模式的形成依赖于HSP90
生长素水平和转运主要影响根系生长和重力响应，根系生长素的向顶运输是通过中柱韧皮部和木质部细胞实现的。HSP90.1和HSP90.2在拟南芥根顶端和中柱表达。HSP90缺失的hsp90RNAi株系初生根长度与hsp90.1-4突变体类似，略短于Col-0。但hsp90RNAi10H和hsp90RNAi 9.84株系以及hsp90.2、hsp90.3和hsp90.4突变体的垂直生长指数（VGI）却显著降低，外源生长素可恢复根的向重力性反应。因此，HSP90可能在生长素介导的向重力性方面发挥功能。另外，侧根的形成由最佳生长素运输和分布所控制，hsp90RNAi株系初生根和侧根的缺陷性发育说明HSP90参与根中生长素的运输。外源添加生长素运输抑制剂TIBA导致Col-0幼苗的生长素极性运输发生缺陷，引发严重的向地性反应，而它对hsp90和hsp90RNAi根的向重力性作用有轻微但可检测到的影响，这进一步表明HSP90参与生长素的极性运输和分布（图1）。
图1. HSP90缺陷导致根发育受损
由于胞质HSP90基因主要在子叶脉表达，为此对hsp90RNAi和hsp90的子叶脉管模式组织进行分析表明HSP90可能通过引导生长素渠化过程来促进子叶脉管的复杂性和连通性。
2.抑制HSP90活性导致根和下胚轴细胞中PIN1发生错误定位
通过DR5::GUS表达模式检测以及FluorA I荧光观察发现，HSP90影响生长素信号转导，并通过调控外排转运蛋白在生长素的转运和分布中发挥重要作用。PIN1是根系中柱重要的生长素外排转运蛋白，并在侧根形成过程中的生长素稳态中起决定性作用。在野生型分生区皮层细胞内，PIN1蛋白积累于根侧细胞的质膜。与胞内低信号相比，PIN1-GFP在质膜中的信号增加。利用不同浓度的HSP90活性药理抑制剂GDA处理以检测HSP90抑制对PIN1表达和定位的影响，结果发现，分生区皮层内PIN1的荧光强度以GDA浓度依赖的方式降低。荧光观察同时显示，PIN1在质膜的定位减少而在胞内的积累增加（图2）。通过进一步检测发现，根的向重力性缺陷与质膜中PIN1的错误定位有关，而且根分生区PIN1的异位表达与HSP90缺失相关。
图2. HSP90分子伴侣调控PIN1的定位
经测定发现，hsp90RNAi 10H、GDA处理和野生型下胚轴之间的垂直角偏差存在显著差异，表明HSP90受抑制导致下胚轴负向重性严重受损。hsp90RNAi 10H下胚轴细胞中PIN1质膜/胞质荧光强度的相对比值较野生型对照显著降低，与其在根细胞得到的结果类似。这导致hsp90RNAi 10H下胚轴变短。以上表明，HSP90活性在介导PIN1的质膜定位中发挥关键作用，进而影响生长素的顶端运输和向重力性反应。
3.HSP90对于胚发育期间的PIN1定位至关重要
生长素在胚发育过程中的基顶轴形成中起关键作用，PIN1的极性定位在心形胚阶段的子叶尖端和根分生区建立生长素最大值。HSP90.1和HSP90.2在心形胚和后期鱼雷胚阶段的表达突出。PIN1的原形成层极性定位在野生型心形胚中期较为明显。而PIN1在hsp90RNAi 10H心形胚阶段的原形成层分布显示并无极性和特异性，在胚发育后期的定位也出现异常。且在胚胎发育后期，生长素积累模式发生偏差。表明HSP90在胚发育早期PIN1的正确定位和生长素响应中发挥重要作用。此外，利用成熟种子进行胚表型分析发现，HSP90缺失导致授粉后的胚发育延迟。
一图解文
生长素极性运输由PIN1外排转运蛋白介导，并产生适当的生长素浓度梯度和最大值，以促进典型发育的正常发生（a）。HSP90缺失导致PIN1 转运蛋白的错误定位，生长素运输异常，从而致使生长素梯度和最大值以及重力反应发生改变。生长素分布受损导致子叶脉管系统异常、根发育和向重力性紊乱。
图3. HSP90通过PIN1外排转运蛋白在拟南芥生长素运输中的作用模型
