植物莖尖分生組織中的干細胞調(diào)控機制研究進展

1、    植物莖尖分生組織中的干細胞調(diào)控機制研究進展    陳菊移+王鵬凱+陳金慧+施季森摘要：莖尖分生組織干細胞是植物地上部分生長發(fā)育的基礎(chǔ)。復(fù)雜的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和信號傳導(dǎo)途徑使干細胞維持著細胞分裂和分化的平衡。對擬南芥的研究顯示，wus/clv3反饋抑制調(diào)節(jié)機制在干細胞基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮著重要作用，且在植物中具有一定保守性；大量轉(zhuǎn)錄因子和染色體重塑因子在轉(zhuǎn)錄水平通過調(diào)控wus從而對干細胞活動進行調(diào)節(jié)；植物生長調(diào)節(jié)物質(zhì)也參與調(diào)控莖尖分生組織的生長活動，主要通過knox基因家族發(fā)揮作用。莖尖分生組織的分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中存在大量反饋抑制調(diào)節(jié)途徑，這種調(diào)節(jié)形式反映了

2、植物體的動態(tài)調(diào)節(jié)能力和平衡維持機制。關(guān)鍵詞：莖尖分生組織；干細胞；wus/clv3；反饋調(diào)節(jié)：q942.6 文獻標志碼：a：1002-1302（2014）08-0011-04植物莖尖分生組織（shoot apical meristem，sam）是植物地上部分生長發(fā)育的基礎(chǔ)，其中包含的干細胞（sc）通過分裂（進行自身更新并維持一定的細胞數(shù)量）和分化（指導(dǎo)一部分細胞輸出分生組織并發(fā)育成各種器官）形成了植物地上部分的各個器官。這2種細胞行為使干細胞和分化細胞在數(shù)量上保持動態(tài)平衡1，保證了植物生長發(fā)育過程的可塑性。sam干細胞區(qū)是一個相對獨立的結(jié)構(gòu)，其中的細胞保持未分化的狀態(tài)并接受來自臨近細胞的信號。

3、在基因調(diào)控和細胞信號的影響下，干細胞一部分進行分裂保持干細胞數(shù)量，而另一部分移出該干細胞區(qū)域進行分化。分子遺傳學(xué)、分子生物學(xué)和模式植物擬南芥研究的不斷深入使sam干細胞基因調(diào)控途徑逐漸清晰。研究發(fā)現(xiàn)莖尖分生組織中心標記基因wuschel（wus）和干細胞標記基因clvata3（clv3）2之間的反饋調(diào)節(jié)機制在分生組織干細胞區(qū)確定和維持方面起決定性作用。大多數(shù)對植物地上部分生長發(fā)揮作用的基因都是通過直接或間接影響wus/clv3反饋抑制途徑發(fā)揮作用。wthz1 sam結(jié)構(gòu)植物sam大約含有500個細胞，這些細胞可分為不同的區(qū)域和細胞層。sam穹頂狀結(jié)構(gòu)自上而下的3層細胞（圖1）稱為l1、l2、l

4、3層細胞：l1層細胞發(fā)育成表皮；l2層細胞發(fā)育成葉肉；l3層細胞形成葉和莖的內(nèi)部組織3-4。大多數(shù)雙子葉植物sam中有l(wèi)1和l2層，大多數(shù)單子葉植物sam中只有l(wèi)1層細胞5。中心區(qū)（含有干細胞和組織中心）和周邊區(qū)（分化側(cè)生器官）在l1至l3細胞層上橫向排列5，而肋狀區(qū)（為莖生長提供細胞）則位于組織中心下方（圖1）。中心區(qū)細胞數(shù)量穩(wěn)定且分裂速度緩慢，擬南芥clv3表達分析結(jié)果顯示擬南芥中心區(qū)大約含有35個干細胞6-7。周邊區(qū)可以進一步分為外周邊區(qū)和內(nèi)周邊區(qū)。內(nèi)周邊區(qū)細胞可通過脫分化恢復(fù)到干細胞狀態(tài)，外周邊區(qū)細胞一旦進入分化途徑后無法完成脫分化。與中心區(qū)不同，周邊區(qū)細胞分裂迅速，可為器官原基的形成

5、提供大量細胞，保證植物正常生長。2 擬南芥sam組織中心標記基因wus及其調(diào)控基因擬南芥sam中大約有10個細胞表達wus基因，這些細胞位于中心區(qū)l3層和更下層，組成的區(qū)域稱為組織中心（圖1）。wus編碼1個轉(zhuǎn)錄因子，wus功能喪失可使干細胞在形成器官原基的過程中消失，sam活動過早停止8；wus過表達會形成過多的干細胞，因此擬南芥sam中wus的表達可以維持干細胞數(shù)目，保證干細胞區(qū)域細胞分裂與分化之間的平衡。現(xiàn)有研究結(jié)果已經(jīng)證明wus基因表達產(chǎn)生的信號經(jīng)過運輸進入干細胞中發(fā)揮作用9。wus的表達受到眾多轉(zhuǎn)錄因子、染色質(zhì)重塑因子的調(diào)控（包括正調(diào)控和負調(diào)控），這些因子在維持wus持續(xù)表達的同時也

6、將其表達區(qū)域限制在組織中心。目前大多數(shù)調(diào)控因子對wus的調(diào)控機制和途徑仍不清晰，但已發(fā)現(xiàn)wus啟動子中存在能夠保證wus準確表達的序列10，說明wus表達調(diào)控過程中可能存在轉(zhuǎn)錄激活復(fù)合體，該復(fù)合體能夠聯(lián)合多個信號途徑對wus進行表達調(diào)控11。wus啟動子中的一個57 bp區(qū)域（位于轉(zhuǎn)錄起始位點上游550 bp）能夠維持wus在組織中心的正常時空表達模式。這個區(qū)域中有2個相鄰的短序列在wus的轉(zhuǎn)錄調(diào)控過程中發(fā)揮作用。眾多調(diào)節(jié)信號相互作用后和這2個序列相互結(jié)合從而調(diào)控wus的轉(zhuǎn)錄。2.1 wus的直接調(diào)控因子迄今為止發(fā)現(xiàn)的能夠與wus啟動子直接作用的基因是染色體重塑因子brca1-associat

7、ed ring domain1（bard1）和splayed（syd）。wus表達的激活受到splayed（syd）染色質(zhì)重塑因子的直接調(diào)控，syd編碼一種atp酶，可促進dna模板形成轉(zhuǎn)錄結(jié)構(gòu)而啟動轉(zhuǎn)錄12-13。bard1編碼的蛋白具有磷酸化依賴性，在sam結(jié)構(gòu)的維持方面發(fā)揮功能。bard1突變使wus只在組織中心邊緣表達，破壞sam結(jié)構(gòu)。bard1蛋白不僅與wus啟動子存在直接作用，還與syd之間有互作關(guān)系，說明bard1通過抑制染色質(zhì)重塑過程影響wus表達14。2.2 wus的間接調(diào)控因子wox9是wus表達的正調(diào)控基因，其突變體表型為sam功能喪失，wus和clv3表達量降低。遺傳分

8、析結(jié)果表明wox9在促進wus表達的同時也受到clv3的負調(diào)控，三者可以形成輔助性的負反饋調(diào)節(jié)途徑5。apetala2（ap2）是花發(fā)育abc模型中的a功能基因，現(xiàn)有研究結(jié)果說明ap2可能在wus上游起正調(diào)控作用。ap2突變表型也是sam活動過早停止17。oberon1（obe1）和oberon2（obe2）是ap2的功能冗余基因11，這2個基因的雙突變體表現(xiàn)出sam活動停止，wus和clv3表達水平降低。說明這2個基因具有維持干細胞特性的功能。 meristem defective（mdf）編碼的蛋白可能在轉(zhuǎn)錄調(diào)控和rna加工過程中對wus表達發(fā)揮正調(diào)控作用。研究證明mdf突變體表型為sam

9、活動停止，wus表達量降低；mdf過表達會導(dǎo)致異位分生組織形成18。ultrapetala1（ult1）和hanaba taranu（han）是wus的負轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子。ult1在生長發(fā)育后期對wus表達起到負調(diào)控作用。ult1在發(fā)育中的花器官和胚分生組織中表達，ult1表型為花序和花分生組織膨大，說明ult1在花形成過程中對wus表達調(diào)控起重要作用。han是gata-3類轉(zhuǎn)錄因子，可控制表達wus基因細胞的數(shù)目，使分生組織中心區(qū)和器官原基之間形成分界線19。質(zhì)譜結(jié)果顯示出成熟的clv3編碼產(chǎn)物含有1個分泌型糖肽（13個氨基酸）和2個羥脯氨酸殘基22-23，在翻譯后加工過程中1個羥脯氨酸殘基發(fā)生

10、了糖基化反應(yīng)，對其生理功能和生物活性起決定作用，未發(fā)生糖基化反應(yīng)的clv3編碼產(chǎn)物生物學(xué)活性和受體結(jié)合活性都非常低22-23。clv3在l1至l3層的干細胞中表達，其翻譯產(chǎn)物在細胞中以信號分子的形式向下擴散，可以被clv1受體激酶和clv2/crn受體激酶復(fù)合物傳遞而發(fā)揮功能24。clv3作為信號分子通過clv1、clv2、coryne（crn）共同組成通路向下傳遞，對wus的表達發(fā)揮抑制作用24。受體激酶clv1的亮氨酸富集結(jié)構(gòu)域可以結(jié)合clv3；無激酶活性的受體clv2必須與激酶coryne（crn）結(jié)合后才能形成功能復(fù)合體結(jié)合clv3。clv1、clv2、crn具有跨膜結(jié)構(gòu)域，可以固定到

11、質(zhì)膜上，其中clv1可以自身形成二聚體，clv2/crn形成四聚體，clv1、clv2也可以在crn的介導(dǎo)下形成clv1/crn/clv2六聚體25，26。clv1、clv2、crn組成的大量信號通路保證了clv3信號的傳遞效率。clvata3（clv3）基因在sam干細胞區(qū)特異表達，與wus的表達在l3層中重合。clv3表型為wus表達區(qū)域的擴大，sam膨大。clv3過表達使sam活動過早停止9，與wus表型類似。這說明組織中心標記基因wus能夠促進clv3表達，而clv3可以抑制wus表達。二者形成1個負反饋調(diào)節(jié)環(huán)，成為sam中干細胞區(qū)基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的中心環(huán)節(jié)。wus表達形成的信號因子轉(zhuǎn)運至

12、干細胞并在干細胞中梯度分布而維持干細胞活性，內(nèi)周邊區(qū)的細胞能接受這種信號因子發(fā)生脫分化回到干細胞狀態(tài)，從而維持干細胞數(shù)量的穩(wěn)定。4 wus和clv3在不同植物sam中的功能保守性除擬南芥外，wus和clv3基因也在其他植物sam干細胞調(diào)控中發(fā)揮作用。許多雙子葉植物中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了wus的同源基因，這些基因在功能上有保守性。其突變體與擬南芥wus突變體表型類似，即sam活動的過早停止27-30。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的雙子葉植物wus同源基因都在sam的組織中心表達。單子葉植物水稻、玉米和短柄草中也發(fā)現(xiàn)了wus的同源基因，但這些基因在功能上具有多樣性。玉米zmwus1/2和水稻oswus營養(yǎng)生長時期表達區(qū)域主要集

13、中于分生組織周邊區(qū)域和葉原基，sam中只有短暫表達；生殖生長時期這3個基因與擬南芥clv1同源基因在sam中同步表達25。zmwus1/2和oswus表達模式說明了單子葉植物莖構(gòu)造和葉片發(fā)育過程的特殊性，暗示著單子葉植物中可能存在不同于wus/clv3的干細胞調(diào)控途徑。被子植物和裸子植物的wus/wox基因家族分析說明wus的原始功能可與側(cè)生器官原基發(fā)生相關(guān)。雖然擬南芥wus功能模式在其他植物中通用性不強，但是該基因的功能可能具有一定的保守性25。cle基因家族是植物中最廣泛存在的基因家族23，水稻、玉米、大豆、楊樹、苜蓿等甚至苔蘚和藻類中都發(fā)現(xiàn)了cle基因31-32。水稻floral org

14、an number1（fon1）是clv1同源基因，其突變體表型為分生組織的擴大和花器官數(shù)量的增多。fon2和fcp1（fon2-like cle protein1）是clv3的同源基因，其中fon2和fon1共同發(fā)揮維持sam和花序分生組織的功能，fcp1在sam和ram中發(fā)揮維持分生組織細胞分裂的功能。水稻fon2和fcp1在功能上已產(chǎn)生分化，分別調(diào)控不同的分生組織行為。玉米的clv1和clv2同源基因是thick tassel dwarf1（td1）和fasciated ear2（fea2）。玉米中這2個基因的缺失對分生組織維持和花器官數(shù)量都沒有影響，表達分析顯示td1沒有在分生組織中表

15、達26。這說明cle基因在單子葉植物分生組織中也發(fā)揮作用，但信號機制和功能已經(jīng)發(fā)生變化。這種功能變化在雙子葉植物中也同樣存在：苜蓿supernumeric nodules（sunn）和百脈根hypernod-ulation aberrant root 1（har1）是clv1的同源基因，其功能不是維持分生組織而是促進根瘤形成。這2個基因的突變體表型都是根瘤數(shù)量增加，分生組織沒有變化32。5 knox基因家族和植物激素對sam活動的調(diào)控作用shoot meristemless（stm）是獨立于wus/clv3途徑在sam干細胞維持中發(fā)揮重要功能的轉(zhuǎn)錄因子，編碼class i knox（knott

16、ed1-like homeobox）家族的蛋白33。stm在分生組織的各個部位表達，發(fā)揮抑制細胞分化的作用34。sam中stm和wus的作用互補：stm阻止細胞分化，wus使一部分細胞特化為干細胞。stm和wus的共同作用保持著sam中干細胞增殖和器官原基形成的平衡，是維持sam正常活動的重要保證35。 植物生長調(diào)節(jié)物質(zhì)中的生長素和分裂素在植物莖尖、根尖中作用相反。細胞分裂素在促進莖尖中細胞分裂的同時也促進根尖中細胞的分化；生長素促進根尖中細胞分裂和莖尖中細胞分化。sam中周圍區(qū)域高水平的生長素和赤霉素（ga）與側(cè)生器官原基的生長點緊密相連。高水平的細胞分裂素（ck）主要集中在sam的中央?yún)^(qū)域

17、中，促進干細胞分裂和維持脫分化狀態(tài)36。sam中stm所屬的knox轉(zhuǎn)錄因子家族基因發(fā)揮促進細胞分裂素積累和抑制赤霉素積累的作用。這2種植物激素積累分別可以促進細胞分裂和阻止細胞分化。knox通過抑制ga20氧化酶活性和刺激ga2氧化酶活性這2個單獨的過程阻止赤霉素在sam的中心區(qū)域積累。knox基因能夠促進葉原基基部ga2氧化酶的表達使赤霉素失活，將激活型赤霉素限制在葉原基中，因此knox基因通過阻止赤霉素在sam中心區(qū)域積累而抑制干細胞分化37。細胞分裂素信號可以促進a型反應(yīng)調(diào)節(jié)因子arabidopsis response regulators（arrs）基因的轉(zhuǎn)錄，二者之間形成一個負反饋

18、調(diào)節(jié)系統(tǒng)。wus直接抑制細胞分裂素應(yīng)答調(diào)控因子arr7在sam中的表達，以一種非常精確的方式控制細胞分裂。玉米a型反應(yīng)調(diào)節(jié)因子abphyl1基因在葉原基基部表達，對葉片發(fā)育過程中的細胞分裂素應(yīng)答起到緩沖作用。水稻lonely guy（log）基因編碼產(chǎn)物可將失活性細胞分裂素轉(zhuǎn)變?yōu)榧せ钚图毎至阉?8，該基因在sam頂端干細胞部位特異性表達。擬南芥中已經(jīng)克隆出log同源基因，已經(jīng)證明該基因和log具有相似的表達模式6。sam的周圍區(qū)域（pz）中，干細胞和器官發(fā)生處于一種平衡狀態(tài)。knox和促進葉器官形成的轉(zhuǎn)錄因子asymmetric leaves相互作用維持著這種平衡狀態(tài)。asymmetric

19、leaves1（as1）屬于myb家族的轉(zhuǎn)錄因子，as2是植物特有的lateral organ boundary domain（lbd）基因家族成員。as1/2在葉原基形成過程中表達，對bp、knat2和knat6表達起到抑制作用。除擬南芥外，在玉米和金魚草中也發(fā)現(xiàn)了相似的基因互作模式39。葉原基中的表觀遺傳調(diào)控由general transcription factor group e6（gte6）實現(xiàn)，該蛋白直接調(diào)控as1表達。組蛋白h3/h4的蛋白伴侶可以和as1/2蛋白結(jié)合形成染色體重塑復(fù)合物抑制側(cè)生器官原基中knox基因的表達。as1/2突變體中knox基因的異位表達可以在葉片中形成分

20、生組織34，37，因此knox的準確表達是影響葉正常發(fā)育的重要因素。6 展望sam的調(diào)控信號網(wǎng)絡(luò)十分復(fù)雜，其中包含許多調(diào)控因子和相互交叉的調(diào)控途徑。如果將已有的互作網(wǎng)絡(luò)繪制成一個調(diào)控模型，可以看出wus位于該模型的中心，是sam中干細胞調(diào)控的主要調(diào)控因子。同樣，knox調(diào)控途徑可以認為是控制分化的中心調(diào)控途徑。wus/clv3和stm/knox途徑在維持sam正常功能方面共同起決定性作用。而stm/knox途徑和wus/clv3途徑又通過植物激素相互作用，保證sam頂端處于一個高細胞分裂素低赤霉素的環(huán)境。與wus/clv3同時存在的其他反饋調(diào)節(jié)途徑也在sam中發(fā)揮重要作用，它們通過負反饋調(diào)節(jié)功

21、能共同維持干細胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定。可以從2個角度去理解為何植物sam調(diào)控需要大量的調(diào)控因子參與。一是必須有大量的功能冗余因子存在，保證某個因子功能喪失時同樣可以維持sam正?；顒?；二是持續(xù)形成干細胞保證形態(tài)建成的過程需要許多信號系統(tǒng)進行輔助調(diào)節(jié)以維持分裂分化平衡。對參與sam調(diào)控的因子進行詳細的時空動態(tài)表達分析，可以對干細胞增殖和分化行為進行詳細說明，同時可以對已知途徑進行修正，而不同途徑的相互聯(lián)系則需要更多的證據(jù)進行補充。參考文獻：1haecker a，laux t. cell-cell signaling in the shoot meristemj. current opinion in pl

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