徐龐連，陽成偉 ，李春鑫，袁東柯

(華南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，廣東省植物發(fā)育生物工程重點實驗室，廣東廣州510631)

干細胞是動植物體內(nèi)具有自我更新和多向分化潛能的細胞群體，它們既可以經(jīng)過細胞分裂維持自身細胞群的大小，也可以分化成為各種不同的組織細胞，從而形成各種復(fù)雜的組織器官［1］. 在各種生物體內(nèi)，干細胞都集中分布于一個特異的區(qū)域受到嚴(yán)格的調(diào)控，這個維持干細胞特性的區(qū)域叫做干細胞微環(huán)境(Stem Sell Niche)［2］. 雖然研究干細胞微環(huán)境的調(diào)控機制是闡釋有機體生長發(fā)育的核心問題，由于發(fā)育是一個非常復(fù)雜的過程，研究者需選擇相對簡單的模式生物去研究重要結(jié)構(gòu)的發(fā)育機制.擬南芥根尖因其結(jié)構(gòu)簡單而且細胞固定不動，便成為研究干細胞維持與分化的模式系統(tǒng)［3］. 近年來，通過對擬南芥突變體的研究，植物干細胞領(lǐng)域取得了長足的進展.本文結(jié)合作者課題組的研究，對擬南芥根尖干細胞微環(huán)境的結(jié)構(gòu)、特化和維持作一全面論述.

1 擬南芥根尖干細胞微環(huán)境的結(jié)構(gòu)

植物干細胞定位于根尖分生組織(Root Apical Meristem，RAM)和莖尖分生組織(Shoot Apical Meristem，SAM). 在擬南芥RAM 中(圖1)，靜止中心(Quiescent Center，QC)及其周圍的干細胞一起組成根尖干細胞微環(huán)境(圖1D). QC 周圍的干細胞包括:維管干細胞——形成維管組織、皮層/內(nèi)皮層干細胞——形成皮層與內(nèi)皮層、根冠干細胞——形成根冠細胞. 簡言之，QC 作為組織中心(Organization Centre)維持周圍干細胞并保持干細胞的特性，而周圍的干細胞根據(jù)其位置信息發(fā)育成為特定的細胞類型.因此，根尖干細胞微環(huán)境是植物根系統(tǒng)產(chǎn)生和生長的基本來源［4］.

2 擬南芥根尖干細胞微環(huán)境的特化

2.1 根尖干細胞微環(huán)境特化的過程

根尖干細胞微環(huán)境的定位(Positioning)和特化(Specification)開始于胚胎時期［5］.在早期胚胎的發(fā)育過程中，合子進行第1 次細胞分裂后產(chǎn)生1個頂細胞和1個基細胞. 頂細胞經(jīng)過多次分裂發(fā)育成為SAM、子葉和下胚軸，而基細胞經(jīng)過數(shù)次橫向分裂產(chǎn)生胚軸細胞和胚柄細胞(Suspensor Cell). 在早期球形胚時期，最上層的胚柄細胞特化成胚根原(Hypophysis，圖1A).胚根原在晚期球形胚時期完成一次不對稱的分裂，形成大小不同的2個細胞:上層較小的透鏡型細胞(Smaller Lens－Shaped Apical Cell)會發(fā)育為QC;下層的根冠前體細胞(Columella Precursor)會發(fā)育為根冠干細胞(Columella Stem Cells，CSCs)和根冠細胞(圖1B).在心型胚時期，QC 招募與其直接相鄰的細胞成為根尖干細胞，于是形成根尖干細胞微環(huán)境(圖1C)［2，5－6］.

圖1 擬南芥根尖干細胞微環(huán)境的特化與維持Figure 1 The specification and maintenance of stem cell niche in Arabidopsis roots

2.2 植物激素調(diào)控根尖干細胞微環(huán)境的特化

植物激素參與調(diào)控干細胞微環(huán)境的特化.其中，影響干細胞微環(huán)境定位的最關(guān)鍵因子是生長素，很多生長素相關(guān)的突變體都影響了胚根原的特化進而導(dǎo)致根的生長缺陷. 如功能獲得性突變體bdl/iaa12，功能缺失性突變體mp 和tmo7，以及生長素載體缺失突變體等［7－9］. 通過分析這些突變體之間的遺傳關(guān)系，總結(jié)出目前生長素調(diào)控胚根原特化的模型:在早期球型胚時期，生長素的最大值定位于胚胎基極.高濃度的生長素與Aux/IAA 蛋白BODENLOS(BDL)結(jié)合并促進其發(fā)生蛋白酶體介導(dǎo)的降解，然后解除BDL 及其輔阻遏物TPL(TOPLESS)對MP(MONOPTEROS/ARF5)的抑制. MP 作為轉(zhuǎn)錄激活子，激活轉(zhuǎn)錄因子TMO7(TARGET OF MP 7)的轉(zhuǎn)錄，TMO7 從其合成的位置移動到胚柄細胞，介導(dǎo)胚柄細胞特化成為胚根原(圖1A). 在這個過程中，PIN1 介導(dǎo)生長素運輸?shù)脚弑毎⑦_到最高值，也是胚根原的特化所必需的［10］.

在晚期球型胚時期，生長素主要分布于下層的根冠前體細胞.高濃度的生長素激活2個A 型反應(yīng)調(diào)節(jié)子ARR7/15 表達，從而限定細胞分裂素主要分布在上層較小的透鏡型細胞. 于是細胞分裂素介導(dǎo)上層的透鏡型細胞特化成為QC(圖1B).這表明生長素和細胞分裂素相互作用共同調(diào)控根尖干細胞微環(huán)境的特化［11］.

2.3 轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控根尖干細胞微環(huán)境的特化

轉(zhuǎn)錄因子也是根尖干細胞微環(huán)境特化的主要調(diào)節(jié)子. AP2/EREBP 類的轉(zhuǎn)錄因子PLT1/2 在早期胚胎表達分布于胚胎的基極. plt1 plt2 雙突變的胚胎基部出現(xiàn)異常分裂，QC 標(biāo)記基因在整個胚胎時期都沒有表達，而且超表達PLT 基因能夠誘導(dǎo)根尖干細胞微環(huán)境的異位形成［2，12］.這些結(jié)果說明PLT1/2在根尖干細胞微環(huán)境的特化中扮演關(guān)鍵的角色. 最近研究報道，PLT 通過拮抗HD－ZIP III 轉(zhuǎn)錄因子從而調(diào)控胚胎基極的特化以及胚根的發(fā)育［13－14］.除了PLT 通路以外，GRAS 轉(zhuǎn)錄因子家族的2個成員SHR 和SCR 也是在胚胎時期就開始表達. 在shr 和scr 突變體中，胚胎基部的皮層/內(nèi)皮層起始區(qū)出現(xiàn)缺陷，導(dǎo)致形成單層的基本組織［15］;此外，QC 不能維持其功能，進而導(dǎo)致根尖分生組織的衰竭［16］.

綜上所述，生長素在PINs 介導(dǎo)的極性運輸之下，在胚胎基極積累形成最大值，激活A(yù)RF(如MP)，并上調(diào)PLT 的表達.PLT 途徑與SHR/SCR 途徑共同調(diào)控QC 細胞的形成.QC 周圍的細胞同樣表達了PLT，從QC 中獲得短距離信號，從而特化成為干細胞［2，12］.總之，在胚胎發(fā)育時期，植物激素和轉(zhuǎn)錄因子共同調(diào)控根尖干細胞微環(huán)境的特化. 而在胚后生長時期，干細胞細胞微環(huán)境的維持也需要各種因子的參與才能保證植物胚后的生長發(fā)育.

3 擬南芥根尖干細胞微環(huán)境的維持

3.1 轉(zhuǎn)錄因子對根尖干細胞微環(huán)境維持的作用

在哺乳動物中，胚胎干細胞的命運是由Oct4、Nanog 和Sox2 等多能轉(zhuǎn)錄因子調(diào)節(jié)的［17］. 在植物中，通過鑒定擬南芥短根突變體也發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)在根尖干細胞微環(huán)境的維持中發(fā)揮著核心的角色.2 條平行的轉(zhuǎn)錄因子途徑共同調(diào)控植物根尖干細胞微環(huán)境的維持(圖1D):生長素及其下游的PLT(PLETHORA)基因家族決定其在縱向(Radial)的定位，SHR(SHORT ROOT)/SCR(SCARECROW)途徑?jīng)Q定其在橫向(longitudinal)的定位［18］.

PLT1/2 在RAM 的分布與生長素的最大值位點重疊，主要在QC 及其周圍的干細胞區(qū)域表達.突變PLT1/2 基因?qū)е翿AM 中QC 細胞減少或消失、根冠干細胞出現(xiàn)分化、RAM 活性降低和主根變短;結(jié)合上文所述的，plt1plt2 胚胎基部的干細胞微環(huán)境出現(xiàn)缺陷.這說明PLT 不但調(diào)節(jié)根尖干細胞微環(huán)境的特化，而且調(diào)控根尖干細胞微環(huán)境的維持［2］. 此外，PLT 作用于生長素的下游:生長素介導(dǎo)PLT 的表達，生長素輸出載體PINs 限定PLT 的表達區(qū)域;反過來，PLT 蛋白也調(diào)節(jié)PIN 的表達以及生長素的極性運輸(圖1D)，揭示了一種精細的反饋調(diào)節(jié)機制［19］.研究［12］發(fā)現(xiàn)，PLT 的作用存在劑量效應(yīng):高濃度的PLT 與生長素的最大值促進干細胞微環(huán)境的形成和維持，低濃度的PLT 促進分生區(qū)的細胞分裂，更低的PLT 濃度與分化區(qū)的細胞分化有關(guān).這種濃度效應(yīng)模型可以解析根尖在縱向上相繼形成分生區(qū)、延長區(qū)和分化區(qū).

SHR 在中柱(Stele)表達，其翻譯產(chǎn)物通過細胞間的信號傳遞移動到相鄰的細胞層中(包括QC、內(nèi)皮層/皮層干細胞、內(nèi)皮層)，并激活下游的SCR 進行表達(圖1D)［20－21］. 反過來，SCR 蛋白與SHR 蛋白互作，這種互作抑制SHR 蛋白向外層移動，使其只分布在內(nèi)皮層的細胞核. 反饋調(diào)節(jié)機制一方面可以解析根尖在輻射方向上形成中柱、內(nèi)皮層、皮層和表皮，另一方面也巧妙地調(diào)控根尖干細胞微環(huán)境的橫向定位［3］.SHR 和SCR 都參與皮層/內(nèi)皮層干細胞的分裂，所以shr 和scr 突變體都僅有1 層基本組織.有趣的是，突變SHR 和SCR 都導(dǎo)致QC 標(biāo)記基因的缺失表達和根冠干細胞的異常分化，最終引起RAM 活性降低以及短根等表型. 當(dāng)SCR 在QC細胞表達時，能夠恢復(fù)干細胞微環(huán)境缺陷等表型.綜上可知，SHR 和SCR 是維持根尖干細胞微環(huán)境所必需的［16］.

此外，作用于SCR 下游的WOX5(WUSCHEL－RELATED HOMEOBOX5)編碼1個同源結(jié)構(gòu)域類的轉(zhuǎn)錄因子，它在QC 區(qū)域?qū)Ｒ恍缘乇磉_(圖1D). 突變WOX5 導(dǎo)致根冠干細胞出現(xiàn)分化，而過表達WOX5 則抑制干細胞的分化，這說明WOX5 的功能是維持根尖干細胞并保持正常的干細胞狀態(tài).WOX5是WUS(WUSCHEL)的同源基因，WUS 在莖尖組織中心表達，它能激活CLAVATA3 (CLV3)的表達，而CLV3 則限定WUS 的表達區(qū)域，從而保持周圍干細胞的狀態(tài)和數(shù)量［22］. 在干細胞WOX5 和WUS 的功能的調(diào)控中可互換［22］，暗示根尖和莖尖干細胞微環(huán)境的維持之間可能存在保守的信號調(diào)控機制. 最近的研究證實了這種推測，CLV3 的同源基因CLE40在根冠表達，激活下游受體激酶ACR4，限定WOX5在QC 區(qū)域特異性表達(圖1D)，從而限制根尖干細胞的范圍與數(shù)量［23］.

3.2 植物激素對根尖干細胞微環(huán)境維持的作用

生長素的極性運輸和局部合成促使生長素在QC 部位形成“積累高峰”，對根尖干細胞微環(huán)境的特化與維持起著關(guān)鍵的作用［24］. 比如，生長素極性運輸抑制劑NPA 處理擬南芥幼苗會影響根尖的生長素積累高峰，從而導(dǎo)致干細胞微環(huán)境的維持出現(xiàn)缺陷［25］.反過來，激光消融QC 細胞以后，根尖會形成一個新的生長素積累高峰，并在該區(qū)域形成一個新的干細胞微環(huán)境［26－27］.這表明生長素積累高峰和干細胞微環(huán)境在功能上存在緊密的聯(lián)系. 目前已經(jīng)確定生長素是通過介導(dǎo)PLT 從而控制根尖的干細胞微環(huán)境，PLT 表達對生長素的響應(yīng)遲于其他已知的生長素響應(yīng)基因，因而推測生長素對PLT 的誘導(dǎo)反應(yīng)是間接的［1］.生長素和PLT 聯(lián)系機制一直不甚清楚，直到最近RopGEF7 和TPST 被鑒定. RopGEF7編碼RAC/ROP 小G 蛋白的活化因子，RNA 干擾下調(diào)表達RopGEF7 引起胚胎和胚后PLT 的表達以及根干細胞微環(huán)境的缺陷.基因表達分析發(fā)現(xiàn)，生長素誘導(dǎo)RopGEF7 的表達，而RopGEF7 又影響生長素極性運輸?shù)鞍譖IN1 的積累，進而改變生長素在根中的梯度分布和應(yīng)答. 可見，RopGEF7 與生長素介導(dǎo)的位置信息之間存在一個反饋調(diào)節(jié)機制，精細地調(diào)節(jié)PLT 的表達，從而調(diào)控根干細胞的特化與維持［28］.

TPST 編碼1個酪氨酸硫基轉(zhuǎn)移酶，研究表明TPST 和生長素之間也存在精細的反饋調(diào)控關(guān)系:生長素在轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)水平上調(diào)控TPST 的表達，突變TPST 則影響生長素在根尖的極性運輸、局部合成和濃度梯度分布，從而導(dǎo)致根尖干細胞微環(huán)境的缺陷.基因表達分析發(fā)現(xiàn)，TPST 的突變導(dǎo)致PLT 在轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)表達水平的降低，過表達PLT 則可恢復(fù)突變體干細胞微環(huán)境的缺陷［29］. 同時，植物分泌的多肽RGFs 也能夠恢復(fù)tpst－1 突變的表型. 進一步研究發(fā)現(xiàn)，RGFs 主要在根尖干細胞區(qū)域表達，它們的表達受到生長素的誘導(dǎo)，同時它們也參與限定PLT 的表達區(qū)域與表達水平.總之，TPST 介導(dǎo)RGFs發(fā)生蛋白質(zhì)硫基化是生長素和PLT 之間的一個聯(lián)系紐帶(圖1D)，從而在胚后根尖干細胞微環(huán)境的維持中發(fā)揮重要作用［29－30］.除了多肽信號分子RGFs 外，多肽激素CLE40 提供一種信號抵消來自QC維持周圍干細胞保持未分化的信號，促進根冠干細胞的分化，進而保持根尖干細胞在自我更新與分化之間保持平衡［23］.

QC 細胞具有延長的G1 期，所以通常處于靜止未分裂的狀態(tài)［1，31］. 但是改變植物激素水平時，QC細胞的有絲分裂活性能夠被激活.例如，乙烯能夠促進擬南芥QC 細胞發(fā)生分裂. 乙烯誘導(dǎo)分裂所形成的細胞能表達QC 特異性報告基因，并且能夠抑制周圍干細胞的分化［32］. 相反，ABA 抑制擬南芥QC細胞的分裂，而且ABA 調(diào)節(jié)QC 的分裂是獨立于乙烯途徑的，與ABI1、ABI2、ABI3、ABI5 和ERA1 有關(guān).同時，ABA 調(diào)節(jié)WOX5 和MONOPTEROS 的表達，抑制根尖干細胞及其子代細胞的分化，因而促進根尖干細胞微環(huán)境的維持.這揭示了ABA 在低濃度條件下促進根生長的機制［33］. 類似地，BRs 也能夠促進WOX5 的表達從而控制QC 的特性.BRs 在QC的作用與根尖生長素水平和分布的改變無關(guān)，這種調(diào)節(jié)機制依賴于BRI1 的信號途徑，從而抑制根冠干細胞的分化［34］. 在抑制根冠干細胞分化的調(diào)控中，生長素通過抑制WOX5 的表達，從而在該進程中也發(fā)揮關(guān)鍵的作用［25］.

不同植物激素之間拮抗互作，巧妙地調(diào)節(jié)根尖干細胞微環(huán)境的維持. 除了生長素和細胞分裂素的互作在根尖干細胞微環(huán)境的特化中起到關(guān)鍵作用以外［11］，最近研究揭示了茉莉酸和生長素拮抗互作在根尖干細胞微環(huán)境維持中的機制. 茉莉酸處理影響根尖干細胞微環(huán)境的結(jié)構(gòu)，包括引起QC 細胞的異常分裂和根冠干細胞的異常分化，最終降低的RAM活性并導(dǎo)致短根的表型. 凝膠阻滯和染色質(zhì)免疫共沉淀實驗表明，茉莉酸信號途徑的重要轉(zhuǎn)錄因子MYC2 直接結(jié)合PLT1/2 的啟動子并抑制其表達.總之，茉莉酸通過調(diào)控生長素的生物合成、極性運輸以及PLT 的表達來調(diào)節(jié)擬南芥根的發(fā)育［35－36］.

概而言之，各種植物激素靈活地調(diào)節(jié)根尖干細胞微環(huán)境的維持，并協(xié)調(diào)根系生長發(fā)育的進程.這可能是植物在長期進化過程中形成的對環(huán)境的響應(yīng)機制，有助于植物通過調(diào)節(jié)干細胞微環(huán)境的維持從而適應(yīng)多變的環(huán)境條件. 而且，植物激素之間，以及各種遺傳因子是相互影響和相互關(guān)聯(lián)的，共同調(diào)控根尖干細胞微環(huán)境的維持.

3.3 染色質(zhì)因子對根尖干細胞微環(huán)境維持的作用

染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)會根據(jù)結(jié)合在染色質(zhì)上組蛋白的化學(xué)修飾方式(如甲基化、乙?；⒘姿峄?、泛素化和SUMO 化修飾等)的不同而發(fā)生相應(yīng)的改變，從而決定基因的表達情況以及細胞的最終命運［37］.在動物中已經(jīng)確定，染色質(zhì)因子以及各種化學(xué)修飾可以通過調(diào)節(jié)染色體的結(jié)構(gòu)影響多能性轉(zhuǎn)錄因子的表達，從而調(diào)控干細胞在多能性和分化之間的平衡［17］.在擬南芥中，最近研究也發(fā)現(xiàn)染色質(zhì)因子和各種翻譯后修飾也參與調(diào)節(jié)根尖干細胞微環(huán)境的維持［38］.

染色質(zhì)重塑復(fù)合體利用ATP 水解釋放的能量去破壞組蛋白和DNA 之間的聯(lián)系，通過改變DNA的可及性(Accessibility)調(diào)節(jié)特異性基因或普通轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合到DNA 上，從而激活或抑制基因的表達.擬南芥基因組編碼了40 多個染色質(zhì)重塑復(fù)合體的蛋白，這些蛋白可分為3 類:SWI/SNF，ISMI 和CHD［39］. 雖然SWI/SNF 參與調(diào)節(jié)WUS 的活性和莖尖干細胞的維持［40］，目前還不清楚它們是否與根尖干細胞有關(guān).最近報道，CHD3 型的染色質(zhì)修飾因子PKL (PICKLE)和多梳家族蛋白CLF (CURLY LEAF)拮抗地決定RAM 的活性.多梳家族蛋白CLF介導(dǎo)組蛋白H3 發(fā)生三甲基化(H3K27me3)對干細胞標(biāo)記基因進行修飾，pkl 突變體中干細胞報告基因表達下調(diào)伴隨著H3K27me3 水平的增加;而其表型表現(xiàn)為pkl 突變體的RAM 活性減少，而clf 突變體的RAM 活性增加.總之，PKL 和CLF 拮抗地調(diào)節(jié)干細胞標(biāo)記基因的表達，從而調(diào)節(jié)RAM 的大?。?1］.

組蛋白的尾巴從核小體中伸出并且受到不同類型的共價修飾，包括乙?；?、甲基化、磷酸化和泛素化等. 組蛋白乙?；D(zhuǎn)移酶GCN5 及其伴侶蛋白ADA2b 功能缺失，影響擬南芥根尖中PLT1/2 的表達和干細胞微環(huán)境的維持，說明組蛋白的乙酰化對于維持根尖干細胞微環(huán)境是非常重要的［42］. 此外，halted root (hlr)和APC/CCCS52A突變體也通過影響干細胞標(biāo)記基因的表達來維持QC 細胞和干細胞的特性.其中，HALTED ROOT 編碼26S 蛋白酶體的1個亞基，APC/CCCS52A編碼的是APC(Anaphase－promoting Complex)泛素連接酶底物特異性的激活子，這暗示泛素化也與干細胞調(diào)節(jié)因子的穩(wěn)定表達有關(guān)，從而調(diào)節(jié)干細胞微環(huán)境的維持［43－44］.

組蛋白分子伴侶在染色質(zhì)的組裝和解體中起著重要作用. CAF－1(Chromatin Assembly Factor－1)和NAP1(Nucleosome Assembly Protein1)是2 類進化保守的組蛋白分子伴侶，分別負責(zé)H3/H4 和H2A/H2B 的沉積(deposition)，維持染色體處于被抑制的狀態(tài)［45］.擬南芥的CAF－1 是由3個亞基組成的:FASCIATA1(FAS1)，F(xiàn)ASCIATA2(FAS2)和MULTICOPY SUPPRESSOR OF IRA1(MSI1). fas 突 變 體RAM 出現(xiàn)缺陷，根尖干細胞缺失，SCR 出現(xiàn)異位表達.其中SCR 在同一植物中不連續(xù)表達，在不同植物中表達模式也不一樣，暗示突變FAS 基因后引起染色質(zhì)轉(zhuǎn)錄抑制的狀態(tài)出現(xiàn)隨機性崩潰［46］.作用與SCR 下 游 的RBR(RETINOBLASTOMA－ RELATED)，與CAF－1 協(xié)同地作用，通過抑制多能性轉(zhuǎn)錄因子的表達來抑制根尖干細胞的增殖［38，47］. 此外，擬南芥包含有4個編碼NAP1 的基因和2個編碼NAP1 Related Protein1/2(NRP1 和NRP2)的基因.nrp1－1 nrp2－1 雙突變體出現(xiàn)結(jié)構(gòu)混亂的RAM 以及短根的表型.進一步發(fā)現(xiàn)NRP1 可以在PLT2 位點上結(jié)合到核染色質(zhì)上，抑制PLT2 的表達［48］. 綜上可知，染色質(zhì)因子一般通過影響染色質(zhì)活性的變化以及多能性轉(zhuǎn)錄因子的表達，在表觀遺傳層面調(diào)控根尖干細胞微環(huán)境的維持.

3.4 基因組穩(wěn)定性對根尖干細胞微環(huán)境維持的作用

干細胞在植物整個生命周期中都持續(xù)地進行自我更新與分化，從而保證植物的生長與壽命［49］. 意味著干細胞在植物生命周期中會遭受到各種不利環(huán)境條件的影響［50］. 目前已確定，很多不利環(huán)境條件(UV、高鹽、干旱、高低溫和重金屬等非生物脅迫;病原體、真菌和昆蟲等生物脅迫)以及一些正常的細胞代謝產(chǎn)物(活性氧、錯誤復(fù)制的DNA 等)，會導(dǎo)致ROS 的快速增加，從而引起基因組的不穩(wěn)定性［51］，因為ROS 能夠裂開DNA 產(chǎn)生DSBs (DNA Double－Strand Breaks)［52］. 如果干細胞中的DNA 損傷未能得到有效地修復(fù)，突變就會傳播給隨后產(chǎn)生的細胞和組織，危及植物的正常發(fā)育［53］.因此，保護植物干細胞的基因組穩(wěn)定性尤為重要. 全基因組基因表達水平分析發(fā)現(xiàn)，DNA 損傷修復(fù)和染色質(zhì)動態(tài)相關(guān)的基因在擬南芥和玉米的QC 區(qū)域大量的富集［54－55］，說明保護基因組完整性是植物干細胞的重要特征.

植物因其固著生長不得不長期遭受環(huán)境壓力的條件，因而進化出高效的“檢查點”(Checkpoint)系統(tǒng)去克服遺傳毒性. ATM 和ATR 是檢查點系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用的傳感器，將DNA 損傷信號傳導(dǎo)到下游的激酶WEE1、轉(zhuǎn)錄因子SOG1 以及細胞周期調(diào)節(jié)子等，從而產(chǎn)生應(yīng)答損傷的細胞反應(yīng)以防止DNA損傷破壞植物遺傳的完整性［56－57］.由此引出了一個重要的科學(xué)問題:植物干細胞如何應(yīng)對DNA 損傷?最近，Robert Sablowski 研究組對此進行了開拓性的工作，發(fā)現(xiàn)擬南芥干細胞對DNA 損傷劑非常敏感.在能夠?qū)е翫SBs 的損傷劑處理之下，根尖干細胞及其子代細胞優(yōu)先地“自殺性”死亡，因此不會讓有突變的DNA 傳遞下去. 干細胞應(yīng)對DNA 損傷的這種反應(yīng)位于ATM、ATR 和SOG1 介導(dǎo)的DNA 損傷信號傳導(dǎo)的下游［57－58］. 與之相一致的是，最新研究發(fā)現(xiàn)一些DNA 修復(fù)相關(guān)的突變體也出現(xiàn)根尖干細胞死亡的表型.例如，在rad50 和mre11 突變體中，由于NDA 損傷積累引起了干細胞的死亡以及發(fā)育上的缺陷［59］.類似地，MDO1 (Meristem Disorganization 1)編碼1個未知蛋白，通過減少DNA 損傷水平，抑制干細胞的死亡，從而維持干細胞微環(huán)境的穩(wěn)定［60］. 由此可見，植物干細胞微環(huán)境的維持需要植物干細胞基因組保持完整性，其分子機制仍需開展進一步研究.本實驗室沿著該思路開展工作，已發(fā)現(xiàn)SUMO E3 連接酶AtMMS21 在維持根尖干細胞微環(huán)境和基因組穩(wěn)定性中發(fā)揮重要的作用(未發(fā)表資料).目前尚未報道SUMO 化修飾參與調(diào)節(jié)植物干細胞維持和DNA 損傷反應(yīng)，因此，以AtMMS21 為突破口，對其下游靶蛋白和上游調(diào)控因子進行鑒定和功能分析，有助于了解SUMO 化修飾調(diào)控植物生長發(fā)育以及逆境響應(yīng)的分子機制.

4 展望

通過比較動植物干細胞的細胞學(xué)機制及其遺傳機制可以看出，動植物干細胞具有一定的相似性，它們都是維持于一個高度調(diào)節(jié)的微環(huán)境中，受到多種轉(zhuǎn)錄因子和染色質(zhì)因子的共同調(diào)控. 但是和動物不同的是，植物只能固著生長的特點決定了植物干細胞能夠根據(jù)復(fù)雜的環(huán)境條件不斷地調(diào)整器官發(fā)生和發(fā)育的進程.因此，植物干細胞是植物生長發(fā)育的源泉和信號調(diào)控中心. 近年來，通過擬南芥根尖干細胞微環(huán)境的研究，發(fā)現(xiàn)各種植物激素協(xié)調(diào)多能性轉(zhuǎn)錄因子，靈活地調(diào)控干細胞微環(huán)境的特化與維持，有利于植物適應(yīng)多變的環(huán)境條件. 面對各種各種環(huán)境壓力，植物干細胞進化出應(yīng)答復(fù)雜環(huán)境條件的機制，以防止未修復(fù)的DNA 損傷突變傳播給更大范圍的植物體內(nèi).但目前不清楚機制，原因是基因組穩(wěn)定性與干細胞維持之間的分子聯(lián)系很少被鑒定. 基于保護干細胞微環(huán)境的基因組穩(wěn)定性是一個全新的、很多問題沒有被研究的領(lǐng)域，所以研究植物干細胞如何應(yīng)對DNA 損傷，有助于理解植物應(yīng)對多變環(huán)境條件并保持正常生長發(fā)育的機制.

此外，植物植物干細胞的研究相對動物干細胞起步較晚，存在很多不清楚的問題有待決. 比如，植物干細胞維持特定基因表達狀態(tài)的分子和表觀機制是怎樣?染色質(zhì)因子和基因組維持因子如何保持干細胞染色質(zhì)和基因組的特定狀態(tài)?哪些因子促使植物干細胞保持多能性?利用植物干細胞多能性和多向分化潛能是否可以提高水稻等作物的產(chǎn)量和抗逆性?不同植物干細胞之間以及植物干細胞與分化細胞之間有哪些相似性和差異性?植物干細胞不對稱分裂和分化的機理?這些問題的解決將有助于我們理解干細胞微環(huán)境的調(diào)控機制，甚至為干細胞的研究與應(yīng)用提供新思路. 因為動物中與干細胞相關(guān)的基因容易造成突變致死，而植物中這種情況相對較少.因此，利用模式植物根尖干細胞微環(huán)境所具有的優(yōu)勢，通過正反向遺傳學(xué)大量篩選和鑒定干細胞缺陷突變體，并結(jié)合使用高通量的基因組學(xué)、生化分子技術(shù)以及現(xiàn)代影像技術(shù)進行系統(tǒng)研究，將會對了解植物甚至動物干細胞微環(huán)境的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)有推動作用.

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