生长素（吲哚-3-乙酸，IAA）作为最重要的植物激素之一，几乎调控植物从胚胎发育到生殖各阶段的重要过程。生长素信号转导的研究一直处于植物学前沿，并为揭示其他信号通路提供了线索。写进教科书的经典生长素信号转导模型自建立以来主导该领域研究近二十载：该模型认为IAA结合并促进受体TIR1/AFB与共受体Aux/IAA之间的相互作用，TIR1的E3泛素连接酶活性促使Aux/IAA的泛素化降解，解除其对ARF转录因子的抑制作用，最终激活下游基因表达。这一经典理论模型认为Aux/IAA蛋白的降解是介导下游生长素转录反应的充分且必要条件。虽然学界陆续发现ABP1/ABLs-TMKs介导的胞外生长素信号途径、IAA直接调控ARF3转录因子等非经典机制，但TIR1-Aux/IAA-ARF通路仍被广泛认为是介导绝大多数生长素效应的核心通路。近二十年来，这一经典理论模型基本未发生概念性变化。

2022年，奥地利科学技术研究所（Institute of Science and Technology Austria，ISTA ）Jiří Friml团队揭示TIR1/AFB受体家族具有腺苷酸环化酶（AC）活性，可通过催化ATP生成环磷酸腺苷（cAMP），调控根系生长抑制和向地性反应（Qi et al., Nature, 2022），为生长素转录调控途径研究打开了全新的研究方向。这一前期研究首次报道TIR1/AFB的AC活性和对其转录调控功能的重要性。然而，TIR1/AFB的 AC活性和E3泛素连接酶活性之间的关系并不清楚，AC活性的产物cAMP是否确实在生长素信号转导途径中发挥第二信使的作用仍有待证实。

近日，Jiří Friml团队再次在Nature上发表了题为TIR1-produced cAMP as a second messenger in transcriptional auxin signalling的研究论文，该研究结果修订了经典的生长素信号转导模型，表明Aux/IAA的降解不是介导下游转录调控的充分且必要条件，TIR1 AC活性及其产物cAMP在生长素信号转导中起到不可或缺的作用。该研究也用遗传学证据证实了cAMP是植物细胞的第二信使这一历史性争议。

既然TIR1/AFB 同时具有泛素连接酶活性和AC活性，那么AC活性突变是否影响了TIR1/AFB的泛素连接酶活性？为了阐明这一点，作者使用了 TIR1 AC 突变体(TIR1ACm1 和 TIR1ACm3，它们在体外消除了 AC 活性），并将它们引入 cvxIAA/ccvTIR1 工程系统。工程化的IAA类似物 cvxIAA 特异性结合改造型 ccvTIR1受体，规避内源性TIR1/AFB的交叉干扰。作者将用于指示Aux/IAA 降解的 R2D2报告株系杂交到 ccvTIR1 及其ccvTIR1ACm突变体转基因系中，以实现对TIR1泛素连接酶活性的追踪。结果表明：cvxIAA 处理对 pTIR1::TIR1 没有影响，但导致 pTIR1::ccvTIR1 系中 DII 信号的特异降解。重要的是，cvxIAA 诱导的 DII 降解在 pTIR1::ccvTIR1ACm1 和 pTIR1::ccvTIR1ACm3 系中正常发生（图 1a、b）。表明 TIR1/AFB的AC 活性是独立于 SCFTIR1 E3 泛素连接酶活性的。Aux/IAA的正常降解也直接表明 TIR1ACm1 和 TIR1ACm3 突变不影响TIR1对IAA的感知、IAA诱导的 TIR1-Aux/IAA 相互作用和 SCFTIR1 复合物组装。这些结果说明 TIR1/AFB 的 AC 活性不是IAA诱导的 Aux/IAA 降解所必需的，也表明Aux/IAA的降解不是介导下游生长素转录反应的充分条件，暗示cAMP可能也在这一过程中发挥重要作用。

作者进一步检测了Aux/IAA对TIR1/AFB AC活性的影响。通过重组表达并纯化AFB5、共受体AXR2（IAA7）和AXR3（IAA17）及其功能获得型DII结构域点突变体（axr2和axr3）。野生型AXR2/3与IAA协同作用可显著增强AFB5的AC活性，而axr2/axr3突变体由于无法形成功能性TIR1/AFB-Aux/IAA复合物，完全丧失其AC活性激活能力（图1d）。这一现象说明：Aux/IAA不仅作为SCFTIR1的降解底物，其与TIR1/AFB的动态结合本身是激活AC活性的必要条件。为在体内验证，作者构建了可诱导的XVE>>axr3-mCherry转基因株系。前期研究报道表明：axr3-mCherry蛋白的积累不仅通过显性负效应抑制内源Aux/IAA的转录水平，更直接导致DII-Venus报告信号完全消失(Kubalová et al., New Phytologist, 2024)，说明诱导表达axr3-mCherry造成内源Aux/IAA蛋白缺失的状态。与此对应，随着axr3-mCherry的积累，IAA诱导的cAMP生成被显著抑制，证明AC活性的增强依赖于Aux/IAA与TIR1的功能性互作（图1e）。值得注意的是，该发现为传统遗传学观察提供了新解释：典型的Aux/IAA功能获得型突变体（如shy2 (IAA3)、bdl (IAA12) 和axr3 (IAA17)等）导致的严重发育缺陷，不仅源于aux/iaa对ARF转录因子活性的持续抑制，更可能涉及TIR1 AC-cAMP信号通路的系统性阻断。这些结果也揭示了Aux/IAA的双重角色：它既是泛素化降解通路的核心元件，又是AC活性调控的关键开关。

图1：TIR1 AC 活性不是IAA诱导的 Aux/IAA 降解所必需

既然Aux/IAA能正常降解，那么无法产生cAMP的TIR1 AC突变体对IAA介导的转录调控会有什么影响？为解答此疑问，作者将用于指示生长素转录响应的DR5::Luc报告系统导入pTIR1::TIR1、pTIR1::ccvTIR1及其AC突变体株系。结果显示，cvxIAA仅在pTIR1::ccvTIR1中激活DR5::Luc信号，而在pTIR1::ccvTIR1ACm1中显著减弱，在pTIR1::ccvTIR1ACm3中完全消失（图2）。RNA-seq和RT-qPCR也进一步证实TIR1 AC活性对全局转录重编程不可或缺。尤为关键的是，在Aux/IAA降解通路正常运行的条件下（通过R2D2等系统验证），TIR1 AC活性缺失仍导致生长素转录响应全面受阻，证明cAMP是衔接TIR1与ARF介导的转录重编程的必需分子媒介。

图2：TIR1 AC 活性对于IAA介导的转录反应至关重要

Jiří Friml团队之前报道了TIR1 AC活性参与调控根系生长抑制和向地性反应（Qi et al., Nature, 2022）。在此，作者进一步探索了TIR1 AC活性是否广泛参与IAA介导的多种生长发育，是否具有普适性。作者利用tir1 afb2突变体的互补株系（pTIR1::TIR1及其AC突变体）探索TIR1 AC活性对IAA调控生长发育的影响。实验显示：pTIR1::TIR1ACm无法恢复tir1 afb2突变体的侧根形成和根毛发育缺陷。进一步表型分析阐明了TIR1 AC活性不仅是介导根生长抑制的关键，更是侧根形成、根毛生长和下胚轴伸长等经典生长素响应所必需（图3），暗示TIR1 AC活性产生的cAMP在生长素转录调控介导的所有发育功能中的作用可能具有普适性。

图3：TIR1 AC 活性对于IAA调节的侧根形成、根毛生长和下胚轴伸长至关重要

即使Aux/IAA正常降解，TIR1 AC活性缺失依旧导致转录重编程和植物生长发育缺陷。那么cAMP在生长素信号转导途径中扮演了什么角色？是否是独立于Aux/IAA降解的关键第二信使，是否能直接激活生长素信号？为了验证这一假设，作者将与生长素信号转导通路无关的表征过的活性AC结构域（KUP5/LRRAC1）与axr3（IAA17的显性抑制突变体，该突变体因无法与TIR1互作而逃避降解，但仍保留结合并抑制ARF转录活性的能力）进行基因融合，构建可诱导转基因株系。实验数据显示：诱导表达axr3-KUP5或axr3-LRRAC1可特异激活DR5::Luc报告系统，模拟了IAA诱导的转录响应效果，而融合AC失活突变体的axr3-KUP5m则无此效应（图4a,b）。进一步的表型分析显示，axr3-KUP5能恢复axr3积累导致的根形成、侧根发育及根毛生长缺陷，axr3-KUP5m则无此效应，与axr3表现出一致的生长缺陷（图4d-i）。LRRAC1的融合导致axr3部分定位于细胞质，削弱了axr3对生长素信号的抑制效应，但具有AC活性的axr3-LRRAC1仍然可以促进侧根发育。这些结果证实：局部cAMP的生成可绕过TIR1受体对IAA的感知及Aux/IAA的降解通路，直接激活ARF介导的转录程序，证实了cAMP作为独立第二信使的核心作用，同时证明Aux/IAA降解并非生长素转录调控反应的必要条件。

图4：不依赖IAA的 cAMP 产生激活生长素转录反应

综上所述，本研究修订了传统生长素信号模型：TIR1/AFB受体通过其腺苷酸环化酶（AC）活性产生的cAMP是信号转导的核心介质，而单纯的Aux/IAA蛋白降解并不足以充分激活下游转录应答。关键证据显示，在Aux/IAA降解通路完整的情况下，AC活性缺失的TIR1突变体仍无法介导生长素诱导的转录激活与生长发育表型。体内实验证实，通过诱导表达人工构建的融合蛋白在Aux/IAA-ARF附近产生cAMP可以绕过TIR1/AFB对IAA的感知和Aux/IAA的降解途径，直接激活ARF转录因子介导的转录编程，达到模拟生长素的生物学效应（图5）。该研究不仅通过遗传学证据确证cAMP作为植物第二信使的生物学地位，更修正了经典生长素信号转导途径的理论框架。值得注意的是，传统模型中"Aux/IAA降解是介导转录应答的充分且必要条件"的核心论点，由此转变为需要重新审视的科学问题，为后续研究开辟了新的理论探索方向。

图5：生长素信号通路新见解的模式图。

Jiří Friml为本文的通讯作者，ISTA的博士研究生陈辉煌、祁林林博士（现为深圳理工大学特任教授）、邹敏霞博士为本文的共同第一作者。Mark Estelle和Stefan Kepinski对本文提出了建设性意见。该项目得到了欧盟ERC、奥地利科学基金（FWF）、中国国家自然科学基金面上项目、ISTA ICP和EMBO博士后奖学金的支持。

该论文共同第一作者祁林林现为深圳理工大学特任教授，为国家级青年人才项目获得者，以第一或共同第一作者在Nature（2篇）、Plant Cell、New Phytologist、Plant Physiology等杂志发表论文10篇。课题组主要以拟南芥为模式研究第二信使cNMP在生长素和其它信号转导途径中的作用，并尝试将获得的理论知识应用于番茄、大豆等作物的遗传改良，目前实验室有研究助理教授/副教授、博士后、研究助理等岗位，欢迎联系：qilinlin@suat-sz.edu.cn。

https://www.nature.com/articles/s41586-025-08669-w