【人物 】揭秘植物激素乙烯和细胞分裂素的奥秘 Joseph J. Kiebe

在植物生长和适应环境的过程中，植物激素在协调植物形态和生理变化的过程中发挥重要作用。当Joseph Kieber教授还在自己的菜园里劳作时，他提出了一个问题：为什么南瓜的形状如此的多样？Kieber教授现在北卡罗来纳大学任职，他用近30年的时间，不仅发现了控制水果形态的奥秘，而且揭示了植物激素网络的关键组成部分。他的研究内容是拟南芥中的细胞分裂素和乙烯，此项工作进一步加深了我们对激素信号通路的了解[1]。

Joseph J. Kieber

有趣的成长经历

Kieber出生在一个天主教大家庭中。他回忆起自己的童年讲到：“我童年的大部分时间都是在户外度过的，这是一种非常有趣的成长方式。”他从小就热爱园艺，因此对植物的兴趣也很早就产生了。对Kieber影响最大的是他的父亲。他的父亲是一位细菌学博士，并在Kieber所读的高中教授物理和生物学科。他鼓励孩子们要追随自己的兴趣，“做自己喜欢的事，不要根据收入的多少来选择未来的职业”。Kieber申请了两所大学进行本科学习，分别是新泽西州立大学罗格斯分校和康奈尔大学。基于他对植物的喜好，Kieber最终选择进入纽约康奈尔大学攻读植物育种学位。这也成为他一生研究植物生物学的垫脚石。

职业生涯的塑造过程

2015年，Kieber回到康奈尔大学参加曲棍球比赛，他兴奋的认出来那位守门员居然是他的本科遗传学老师Tom Fox教授。当被问及为什么Kieber后来选择植物遗传学专业而不是育种专业时，他说到：“我们遇到的人往往会影响我们的选择。我大二的时候参加Tom Fox的遗传学讲座，这场讲座完全改变了我的想法！”

后来，Kieber的第一次实验室经历是在博伊斯汤普森研究所分析蓝藻。Kieber在麻省理工学院攻读博士学位。在那里，他使用分子生物学和生物化学方法分别从拟南芥和西兰花中克隆和纯化DNA拓扑异构酶I[2,3]。在参加国际拟南芥研究大会时，Kieber听了Joseph Ecker教授的演讲，深受震撼。有两个研究成果让他印象深刻。一个是即使是像乙烯这样的气态简单的烯烃类物质也可以充当激素；另外一个是细胞可以通过乙烯发送信号并交流！一周之内，Kieber向美国国家科学基金会（NSF）植物生物学博士后奖学金提出申请，用于研究乙烯反应途径中涉及的信号成分。Kieber赞扬到：“NSF奖学金计划为我们的许多同事提供了机会，这些同事后来在植物生物学方面取得了伟大的成就。”

对乙烯和植物激素的兴趣

在宾夕法尼亚大学，Kieber对拟南芥的突变幼苗进行了正向遗传筛选，完成了乙烯反应途径的负调节因子CONSTITUTIVE TRIPLE RESPONSE1（CTR1）的鉴定和克隆工作，并将研究成果发表在Cell杂志上[4]。但是CTR1编码什么，它究竟如何将信号传输到其下游尚未可知？Kieber使用BLAST进行搜索，发现CTR1定位位点与编码Raf-1激酶家族成员的基因高度同源，这表明它是一种蛋白激酶。

博士后结束后，Kieber接受了伊利诺伊大学教授助理的职位，在那里他继续研究包括乙烯在内的激素信号。Kieber小组表明CTR1的N末端区域是与乙烯受体ETR1相互作用所必需的，而C末端具有丝氨酸苏氨酸激酶活性，就像Raf-1蛋白激酶一样。事实上，纯化的CTR1可以磷酸化人工底物髓磷脂蛋白（MBP）和拟南芥MAP激酶MEK1。然而，AtMEK1的磷酸化效率仅为MBP的5%，这表明可能存在一种尚未鉴定的蛋白质充当CTR1的生理底物[5]。大约十年后，马里兰大学教授Caren Chang博士确定了乙烯信号传导的中央调节因子EIN2上的关键磷酸化位点。她假设EIN2通过MAPK信号通路直接或间接磷酸化。那么CTR1可能是磷酸化EIN2的激酶吗？为了回答这个问题，他们必须纯化蛋白质CTR1，而这一蛋白的纯化难度很大。幸运的是，Kieber有一管14年前纯化的CTR1蛋白。更令人惊喜的是，这管CTR1蛋白仍然保留了功能性激酶活性！Kieber小组表明，CTR1直接磷酸化EIN2的C端胞质结构域[6]。

筛选类似乙烯三重反应表型的拟南芥突变体

细胞分裂素和研究计划的建立

为了进一步挑战自己，Kieber逐渐转向研究另一种经典激素——细胞分裂素。Kieber回忆起他的第一个研究生John Vogel，他们筛选到了一个突变体，该突变体在乙烯 - 细胞分裂素相互作用过程有所改变。他们证明了ACS5几乎完全负责细胞分裂素诱导的乙烯生物合成过程[7]。Kieber和他的学生还证实了IBC6和IBC7参与了早期细胞分裂素信号转导过程[8]。Kieber认为他阐明细胞分裂素信号网络的分子成分的工作是他迄今为止对植物科学最重要的贡献。他的小组在许多关键细胞分裂素信号传导成分的鉴定和表征中发挥了关键作用。

对青年学生的忠告

Kieber认为教师与学生的积极互动对双方都是有利的。研究和教学可以形成一条“双向道路”。教师紧跟最新的研究成果，使教学内容更加精彩;相反，教学也会迫使青年学生去阅读那些自己不熟悉的科目，而使他们变的更优秀。

作者 |  小果

责编 | RAY

参考文献

1. Joseph J. Kieber .(2019).EDITOR PROFILE.Plant Cell.30: 255–257

2. Kieber, J.J. , Tissier, A.F. , Signer, E.R. (1992a). Cloning and characterization of an Arabidopsis thaliana topoisomerase I gene. Plant Physiol.  99:  1493–1501.

3. Kieber, J.J. , Lopez, M.F. , Tissier, A.F. , Signer, E. (1992b). Purification and properties of DNA topoisomerase I from broccoli. Plant Mol. Biol.  18:  865–871.

4. Kieber, J.J. , Rothenberg, M. , Roman, G. , Feldmann, K.A. , Ecker, J.R. (1993). CTR1, a negative regulator of the ethylene response pathway in Arabidopsis, encodes a member of the raf family of protein kinases. Cell  72:  427–441.

5. Huang, Y.F. , Li, H. , Hutchison, C.E. , Laskey, J. , Kieber, J.J. (2003). Biochemical and functional analysis of CTR1, a protein kinase that negatively regulates ethylene signaling in Arabidopsis. Plant J.  33:  221–233.

6. Ju, C.L. , et al.  . (2012). CTR1 phosphorylates the central regulator EIN2 to control ethylene hormone signaling from the ER membrane to the nucleus in Arabidopsis. Proc. Natl. Acad. Sci. USA  109:  19486–19491.

7. Vogel, J.P. , Woeste, K.E. , Theologis, A. , Kieber, J.J. (1998a). Recessive and dominant mutations in the ethylene biosynthetic gene ACS5 of Arabidopsis confer cytokinin insensitivity and ethylene overproduction, respectively. Proc. Natl. Acad. Sci. USA  95:  4766–4771.

8. Brandstatter, I. , Kieber, J.J. (1998). Two genes with similarity to bacterial response regulators are rapidly and specifically induced by cytokinin in Arabidopsis. Plant Cell  10:  1009–1019.

来源：MP植物科学