1963年莱萨姆（Skoog）从未成熟的玉米籽粒中分离出一种类似于激动素的细胞分裂促进物，并命名为玉米素，两年后在斯库格等人提议下玉米素改名为细胞分裂素（Cytokinin, CK）。随着对细胞分裂素的研究逐渐深入，研究人员发现，细胞分裂素一般在植物根部产生，不仅可以促进细胞质分裂，还能促进多种组织的分化和生长，并与植物生长素有协同作用。
今天小瑞将从细胞分裂素的合成和代谢、运输、信号传导和功能四个方面来为大家介绍。
一、细胞分裂素的生物合成和分解
1.细胞分裂素的生物合成
细胞分裂素基于其结构差异，主要分为两大类：类异戊二烯型细胞分裂素和芳香环型细胞分裂素。在植物体内，类异戊二烯型细胞分裂素的分布范围广且含量丰富，相比之下，芳香环型细胞分裂素的含量则相对较低。因此，小瑞将重点介绍类异戊二烯型细胞分裂素，主要包括异戊烯腺嘌呤（iP）、反式-玉米素（tZ）、顺式-玉米素（cZ）以及二氢玉米素（DZ）。顺式-玉米素（cZ）的生物合成：在细胞质中通过MVA（甲羟戊酸）途径合成的DMAPP（二甲基烯丙基焦磷酸盐）与tRNA在tRNA-iPT酶（tRNA-异戊烯基转移酶）的作用下合成cZRMP（顺势玉米素核苷酸），cZRMP通过LOG （细胞分裂素磷酸核糖水解酶）脱掉磷酸基团和核糖基团最终生成cZ。
异戊烯基腺嘌呤(iP)的生物合成：在质体中通过MEP（甲基赤藓糖醇磷酸酯）合成的DMAPP与ATP/ADP在ATP/ADP-iPT酶的作用下生成iPRTP/iPRDP两种iP核苷酸，iPRTP/iPRDP经过脱磷酸生成的iPRMP，并通过未知的途径转运到细胞质中，在细胞质中iPRMP在LOGL5/GY3（一种LOG酶）酶的作用下生成iP。
反式玉米素（tZ）的生物合成：tZ主要在根的维管组织细胞中合成，其合成机制为质体中的iPRTP/iPRDP/iPRMP通过未知机制运输到内质网，通过CYP735A1/A2 （细胞色素 P450 单加氧酶）对侧链进行氧化修饰，生成 tZRTP/ tZRDP/ tZRMP，tZ核苷酸通过未知的途径转运至细胞质内在LOG酶的作用下生成tZ。
二氢玉米素核苷（DZ）的生物合成（目前暂未研究清楚此为推测）：内质网中的tZRMP在还原酶的作用下生成DZRMP，并通过未知途径转移至细胞质中，经LOG酶的作用生成DZ。
2.细胞分裂素的分解
降解（不可逆）：细胞分裂素可以通过细胞分裂素氧化酶/脱氢酶 (CKX)催化降解为醛类和腺嘌呤。
钝化（部分不可逆）：细胞分裂素可以通过糖基化、乙酰基化等方式转化为结合态形式（如玉米素核苷），大部分情况下结合态的细胞分裂素可以通过特定的酶降解来逆转这一反应，除了发生在嘌呤环N7或N9上的N-糖基化不可逆，其余可通过β-葡萄糖苷酶等方式逆转。细胞分裂素结合态形式较为稳定，参与细胞分裂素的储藏和运输。
二、细胞分裂素的运输
早期研究普遍认为，细胞分裂素主要在根部合成，随后被运输至芽部。然而，随着研究的深入，研究发现细胞分裂素的合成不仅限于根部，而是在根和芽的多种细胞类型中均能进行。这些激素通过局部和长距离的运输机制，最终到达其作用的靶细胞。局部运输：细胞分裂素的局部运输涉及多种转运蛋白，如在内质网中表达的ABCI19、ABCI20 和 ABCI21 等ABC家族转运蛋白，这些蛋白参与细胞分裂素的细胞间转运。PUP 转运蛋白 (如 PUP7 和 PUP21) 和细胞壁上的 CK/PN 核苷酸酶 (如 OsCK/PN) 共同参与细胞分裂素的细胞壁转运。长距离运输：根中合成的tZ通过木质部运输到芽，而芽中合成的 iP 通过韧皮部运输到根，此为细胞分裂素的长距离运输。目前研究发现ABC转运蛋白家族的ABCG14，介导细胞分裂素向外穿过质膜，该基因主要在根部表达，对细胞分裂素从根部向芽部的运输至关重要。
2021年发表于Plant Physiology （IF=6.6）期刊上一篇题为“Phloem unloading via the apoplastic pathway is essential for shoot distribution of root-synthesized cytokinins”的研究论文中，研究人员首先利用半薄切片证明拟南芥中AtABCG14在地上组织叶脉的韧皮部伴胞和木质部管胞表达，通过特异启动子在atabcgl4突变体表达 AtABCG14 实验和atabcg14突变体嫁接实验，证明了AtABCG14在地上组织韧皮部的表达对于根部CK长距离运输至关重要。
进一步利用atabcg14和野生型嫁接材料，采用同位素示踪、木质部汁液、韧皮部汁液以及细胞间隙汁液的激素测定等方法，阐明根源细胞分裂素向顶长距离运输的分子机制，tZ首先切换到筛管进行运输，通过定位于筛管伴胞的AtABCG14卸载到细胞间隙，再通过质外体运输途径运达靶细胞，多余的CK通过筛管回流到根部。
三、细胞分裂素的信号传导
细胞分裂素的信号传导系统是一种多步骤的双组分信号调节系统，由组氨酸激酶和应答调节子（RR）2种蛋白质组成。
例如拟南芥中细胞质膜和内质网上的细胞分裂素受体AHK2、AHK3 和 CRE1/AHK4（主要存在于根的发育过程中）与生长素结合，触发组氨酸激酶活性，使得传递器AHPs结构域内的保守组氨酸残基自磷酸化。
传递器AHPs将活化的磷酸基团从细胞质运送至细胞核，在细胞核中这些磷酸基团被转移至响应调节器（Type B-AAR和Type A-ARR）的接收结构域，与其保守的天冬氨酸（Asp）残基发生特异性结合，从而激活或抑制生长素调控相关基因的表达，进而影响植物的生长和发育。
2022年发表于Science Advances （IF=11.7）上一篇题为“Arabidopsis TIE1 and TIE2 transcriptional repressors dampen cytokinin response during root development”研究论文中，作者通过遗传转化发现了TIE1和TIE2均在根中特定区域表达。
为研究TIE转录抑制因子控制根形态发育的分子机制，研究人员通过筛选转录因子文库发现TIE1可和细胞分裂素信号途径中的关键转录因子Type B-ARR相互作用，进一步通过免疫共沉淀和荧光素酶互补实验证明了转录抑制因子（TIE1和TIE2）与响应调节器（Type B-ARR1和Type B-ARR2）在体内具有相互作用，并通过生化实验证明了TIE可以抑制Type B-ARR 的转录激活活性。
细胞分裂素信号途径的标记分析表明在tie1 tie2 双重突变体中细胞分裂信号明显增强。研究人员进一步通过一系列的遗传、RNA-seq和分子生物学等手段证明了tie1 tie2 双重突变体中根的形态变化是由于细胞分裂信号途径中关键转录因子Type B-ARR活性抑制减弱，增强了细胞分裂素信号的输出，从而抑制了主根的伸长和侧根的数量。
当植物通过细胞分裂素受体AHKs感受到细胞分裂素信号后，先在其组氨酸上发生自身磷酸化，随后磷酸基团转移到其天冬氨酸残基上，通过AHPs将天冬氨酸残基上的磷酸基团转移到Type B-ARRs来激活其功能，Type B-ARRs除调控对细胞分裂素响应的众多基因的表达，还结合到TIE1和TIE2启动子区，促进其表达，TIE1和TIE2与Type B-ARRs相互作用，抑制其活性，在没有细胞分裂素信号输入时及时关闭信号途径，避免了植物对细胞分裂素信号的过度反应。
四、细胞分裂素的功能
细胞分裂素是一种重要的植物激素，在植物生长和发育过程中起重要的作用，参与许多生理过程，如植物生长发育、形态建成、微管组织分化、叶片衰老、调控顶端优势、生物和非生物胁迫反应等。下面小瑞通过两篇文献来为大家讲述细胞分裂素的功能。
1.盐胁迫
2023年发表于Molecular Plant （IF=17.1）期刊上一篇题为“Cytokinin signaling promotes salt tolerance by modulating shoot chloride exclusion in maize”的研究论文，研究人员鉴定了一个A型响应调节子ZmRR1，它通过负调控细胞分裂素信号途径来负调节玉米的耐盐性。
在此基础上，该研究解析了细胞分裂素通过调控Cl-转运蛋白促进玉米耐盐的分子机理，即：盐胁迫下，ZmRR1蛋白水平下降，其对细胞分裂素信号正调控因子ZmHP2的抑制被解除，而后ZmHP2介导的细胞分裂素信号上调ZmMATE29（编码一个液泡定位的可转运Cl-的蛋白）的表达，ZmMATE29通过将Cl-隔离到根皮层细胞的液泡中以减少根部Cl-往地上部的运输，从而促进玉米耐盐。
2.生长发育
2021年发表于Science（IF=44.8）上一篇题为“Molecular mechanism of cytokinin-activated cell division in Arabidopsis”的研究论文中，作者通过遗传学筛选发现MYB3R1和MYB3R4是干细胞活性维持的必需因子。
通过ChIP-seq实验，并结合RNA荧光原位杂交，证明MYB3R1和MYB3R4可以直接结合到有丝分裂基因的启动子上，促进这些基因的转录。亚细胞定位发现MYB3R1位于细胞核。MYB3R4主要分布于细胞质中。
追踪MYB3R4在细胞分裂过程中的动态变化显示：MYB3R4在细胞分裂前合成，在出核转运的调控下聚集于细胞质中，当有丝分裂开始时，大量的MYB3R4蛋白经输入蛋白IMPA3和IMPA6的介导，向细胞核转移。
入核以后，MYB3R4与MYB3R1形成二聚体，激活下游基因的表达。进一步研究发现，MYB3R4还能够直接激活IMPA3和IMPA6基因mRNA的转录。这样，MYB3R4和IMPA3/6之间就形成一个“正反馈环”，以实现MYB3R4蛋白在短时间内（约为10分钟）的快速核定位。
小瑞总结直通车
细胞分裂素是一种参与多种植物生理过程的重要植物激素，本文通过细胞分裂素的生物合成和代谢、运输、信号传导以及功能四个方面对细胞分裂素进行了介绍。从中可以发现细胞分裂素生物合成路径复杂，且目前反式玉米素的生物合成、玉米素核苷酸细胞质转运机制以及LOG酶尚存诸多未解之谜。在细胞分裂素的运输领域，现有研究主要聚焦于一些特定的转运蛋白及其功能，而对于整个长距离运输的分子机制模型，尚缺乏系统的构建。小瑞希望通过这篇文章为大家深入理解细胞分裂素提供新的视角和思路。
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