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为探究激素在拟南芥根发育中的作用，研究人员建模激素串扰，揭示新机制，助力理解根生长。
在植物的微观世界里，根的发育如同一场精妙的舞蹈，受到多种激素的协同调控。激素在植物根的生长过程中扮演着至关重要的角色，它们参与调节细胞分裂、伸长和分化等多个关键环节。然而，目前对于多种激素如何相互作用来调控根发育，仍存在诸多未解之谜。不同研究团队建立的数学模型往往聚焦于激素的不同方面，无法将根生长视为一个涉及所有激素功能的整合系统进行研究。因此，迫切需要一种新的研究方法，来深入探究激素之间的串扰机制，这对于全面理解植物根发育的调控网络具有重要意义。
为了解开这些谜团，来自英国杜兰大学（Durham University）和中国华中农业大学（Huazhong Agricultural University）的研究人员展开了深入研究。他们的研究成果发表在《TRENDS IN Plant Science》上。
研究人员采用的关键技术方法主要包括：一方面，利用多种实验技术获取激素相关的大量实验数据，如通过活成像技术观察激素的转录输出和测量激素输入，借助多尺度显微镜揭示植物细胞结构，运用质谱技术定量多种激素等；另一方面，运用数学建模的方法，构建激素串扰网络，将实验数据与模型相结合，深入分析激素之间的相互作用。
研究结果如下：
- 激素模式形成的调控机制：通过建模分析生长素（Auxin）、细胞分裂素（Cytokinin）和乙烯（Ethylene）的串扰，研究发现细胞分裂素和乙烯对生长素生物合成的调节，虽不是形成这三种激素同时定性模式的必要条件，但会定量改变它们在根细胞中的浓度，影响植物生长。
- PIN 蛋白模式变化的影响：研究表明，在 pin3、pin4 或 pin7 单突变体以及 pin3 pin4 pin7 三突变体中，PIN1 和 PIN2 的模式发生变化。建模揭示这种变化会导致维管系统和小柱原细胞中生长素、细胞分裂素和乙烯的积累增加，说明基因突变的影响不仅局限于简单的基因 - 蛋白关系，还会影响整个激素串扰网络。
- 基因表达与激素串扰的关系：建模研究乙烯生物合成速率的模式发现，其与实验观察到的拟南芥中五个 ACC 氧化酶（ACO）成员的组织特异性表达模式相符，表明建模能够解释基因表达模式，并揭示了生长素和细胞分裂素对乙烯生物合成的调节作用。同时，研究还发现建模预测与实验观察在表皮细胞存在差异，这为进一步完善模型提供了方向。
- 构建综合模型的可行性：研究人员提出构建一个整合所有激素实验数据的综合模型，通过整合实验数据构建激素串扰网络，推导代谢、信号传导、运输和基因表达过程的动力学方程，结合虚拟根结构研究激素时空动态，这将有助于深入理解多种激素在根发育中的作用。
研究结论和讨论部分指出，通过迭代实验测量和综合激素串扰模型的开发，能够更清晰地阐明多种激素在拟南芥根生长中的作用。这一研究成果为深入理解植物根发育的分子机制提供了重要依据，有望为未来提高作物产量、改善植物对环境的适应性等农业生产应用提供理论支持。同时，研究也面临一些挑战，如处理多组学数据的噪声、解决实验测量中的缺失环节、将蛋白质网络和激素串扰网络整合以及利用计算技术处理复杂动态等问题，但这些挑战也为后续研究指明了方向。
