植物莖尖分生組織中的干細(xì)胞調(diào)控機(jī)制研究進(jìn)展

2014-10-23 05:05:33陳菊移王鵬凱陳金慧施季森

江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2014年8期

陳菊移+王鵬凱+陳金慧+施季森

摘要：莖尖分生組織干細(xì)胞是植物地上部分生長(zhǎng)發(fā)育的基礎(chǔ)。復(fù)雜的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和信號(hào)傳導(dǎo)途徑使干細(xì)胞維持著細(xì)胞分裂和分化的平衡。對(duì)擬南芥的研究顯示，WUS/CLV3反饋抑制調(diào)節(jié)機(jī)制在干細(xì)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(duì)干細(xì)胞活動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)；植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)物質(zhì)也參與調(diào)控莖尖分生組織的生長(zhǎng)活動(dòng)，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)形式反映了植物體的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力和平衡維持機(jī)制。

關(guān)鍵詞：莖尖分生組織；干細(xì)胞；WUS/CLV3；反饋調(diào)節(jié)

中圖分類號(hào)：Q942.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：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(zhǎng)發(fā)育的基礎(chǔ)，其中包含的干細(xì)胞（SC）通過分裂（進(jìn)行自身更新并維持一定的細(xì)胞數(shù)量）和分化（指導(dǎo)一部分細(xì)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(gè)器官。這2種細(xì)胞行為使干細(xì)胞和分化細(xì)胞在數(shù)量上保持動(dòng)態(tài)平衡^[1]，保證了植物生長(zhǎng)發(fā)育過程的可塑性。SAM干細(xì)胞區(qū)是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)，其中的細(xì)胞保持未分化的狀態(tài)并接受來(lái)自臨近細(xì)胞的信號(hào)。在基因調(diào)控和細(xì)胞信號(hào)的影響下，干細(xì)胞一部分進(jìn)行分裂保持干細(xì)胞數(shù)量，而另一部分移出該干細(xì)胞區(qū)域進(jìn)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(xì)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(biāo)記基因WUSCHEL（WUS）和干細(xì)胞標(biāo)記基因CLVATA3（CLV3）^[2]之間的反饋調(diào)節(jié)機(jī)制在分生組織干細(xì)胞區(qū)確定和維持方面起決定性作用。大多數(shù)對(duì)植物地上部分生長(zhǎng)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。

[WTHZ]1 SAM結(jié)構(gòu)

植物SAM大約含有500個(gè)細(xì)胞，這些細(xì)胞可分為不同的區(qū)域和細(xì)胞層。SAM穹頂狀結(jié)構(gòu)自上而下的3層細(xì)胞（圖1）稱為L(zhǎng)1、L2、L3層細(xì)胞：L1層細(xì)胞發(fā)育成表皮；L2層細(xì)胞發(fā)育成葉肉；L3層細(xì)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L1和L2層，大多數(shù)單子葉植物SAM中只有L1層細(xì)胞^[5]。中心區(qū)（含有干細(xì)胞和組織中心）和周邊區(qū)（分化側(cè)生器官）在L1至L3細(xì)胞層上橫向排列^[5]，而肋狀區(qū)（為莖生長(zhǎng)提供細(xì)胞）則位于組織中心下方（圖1）。中心區(qū)細(xì)胞數(shù)量穩(wěn)定且分裂速度緩慢，擬南芥CLV3表達(dá)分析結(jié)果顯示擬南芥中心區(qū)大約含有35個(gè)干細(xì)胞^[6-7]。周邊區(qū)可以進(jìn)一步分為外周邊區(qū)和內(nèi)周邊區(qū)。內(nèi)周邊區(qū)細(xì)胞可通過脫分化恢復(fù)到干細(xì)胞狀態(tài)，外周邊區(qū)細(xì)胞一旦進(jìn)入分化途徑后無(wú)法完成脫分化。與中心區(qū)不同，周邊區(qū)細(xì)胞分裂迅速，可為器官原基的形成提供大量細(xì)胞，保證植物正常生長(zhǎng)。

2 擬南芥SAM組織中心標(biāo)記基因WUS及其調(diào)控基因

擬南芥SAM中大約有10個(gè)細(xì)胞表達(dá)WUS基因，這些細(xì)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(gè)轉(zhuǎn)錄因子，WUS功能喪失可使干細(xì)胞在形成器官原基的過程中消失，SAM活動(dòng)過早停止^[8]；WUS過表達(dá)會(huì)形成過多的干細(xì)胞，因此擬南芥SAM中WUS的表達(dá)可以維持干細(xì)胞數(shù)目，保證干細(xì)胞區(qū)域細(xì)胞分裂與分化之間的平衡?，F(xiàn)有研究結(jié)果已經(jīng)證明WUS基因表達(dá)產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過運(yùn)輸進(jìn)入干細(xì)胞中發(fā)揮作用^[9]。

WUS的表達(dá)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(fù)調(diào)控），這些因子在維持WUS持續(xù)表達(dá)的同時(shí)也將其表達(dá)區(qū)域限制在組織中心。目前大多數(shù)調(diào)控因子對(duì)WUS的調(diào)控機(jī)制和途徑仍不清晰，但已發(fā)現(xiàn)WUS啟動(dòng)子中存在能夠保證WUS準(zhǔn)確表達(dá)的序列^[10]，說(shuō)明WUS表達(dá)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(gè)信號(hào)途徑對(duì)WUS進(jìn)行表達(dá)調(diào)控^[11]。WUS啟動(dòng)子中的一個(gè)57 bp區(qū)域（位于轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)上游550 bp）能夠維持WUS在組織中心的正常時(shí)空表達(dá)模式。這個(gè)區(qū)域中有2個(gè)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(hào)相互作用后和這2個(gè)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(dòng)子直接作用的基因是染色體重塑因子BRCA1-ASSOCIATED RING DOMAIN1（BARD1）和SPLAYED（SYD）。WUS表達(dá)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(jìn)DNA模板形成轉(zhuǎn)錄結(jié)構(gòu)而啟動(dòng)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(dá)，破壞SAM結(jié)構(gòu)。BARD1蛋白不僅與WUS啟動(dòng)子存在直接作用，還與SYD之間有互作關(guān)系，說(shuō)明BARD1通過抑制染色質(zhì)重塑過程影響WUS表達(dá)^[14]。

2.2 WUS的間接調(diào)控因子

WOX9是WUS表達(dá)的正調(diào)控基因，其突變體表型為SAM功能喪失，WUS和CLV3表達(dá)量降低。遺傳分析結(jié)果表明WOX9在促進(jìn)WUS表達(dá)的同時(shí)也受到CLV3的負(fù)調(diào)控，三者可以形成輔助性的負(fù)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(shuō)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(dòng)過早停止^[17]。OBERON1（OBE1）和OBERON2（OBE2）是AP2的功能冗余基因^[11]，這2個(gè)基因的雙突變體表現(xiàn)出SAM活動(dòng)停止，WUS和CLV3表達(dá)水平降低。說(shuō)明這2個(gè)基因具有維持干細(xì)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(duì)WUS表達(dá)發(fā)揮正調(diào)控作用。研究證明mdf突變體表型為SAM活動(dòng)停止，WUS表達(dá)量降低；MDF過表達(dá)會(huì)導(dǎo)致異位分生組織形成^[18]。

ULTRAPETALA1（ULT1）和HANABA TARANU（HAN）是WUS的負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子。ULT1在生長(zhǎng)發(fā)育后期對(duì)WUS表達(dá)起到負(fù)調(diào)控作用。ULT1在發(fā)育中的花器官和胚分生組織中表達(dá)，ult1表型為花序和花分生組織膨大，說(shuō)明ULT1在花形成過程中對(duì)WUS表達(dá)調(diào)控起重要作用。HAN是GATA-3類轉(zhuǎn)錄因子，可控制表達(dá)WUS基因細(xì)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(gè)分泌型糖肽（13個(gè)氨基酸）和2個(gè)羥脯氨酸殘基^[22-23]，在翻譯后加工過程中1個(gè)羥脯氨酸殘基發(fā)生了糖基化反應(yīng)，對(duì)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(xì)胞中表達(dá)，其翻譯產(chǎn)物在細(xì)胞中以信號(hào)分子的形式向下擴(kuò)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(hào)分子通過CLV1、CLV2、CORYNE（CRN）共同組成通路向下傳遞，對(duì)WUS的表達(dá)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(wú)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(hào)通路保證了CLV3信號(hào)的傳遞效率。

CLVATA3（CLV3）基因在SAM干細(xì)胞區(qū)特異表達(dá)，與WUS的表達(dá)在L3層中重合。clv3表型為WUS表達(dá)區(qū)域的擴(kuò)大，SAM膨大。CLV3過表達(dá)使SAM活動(dòng)過早停止^[9]，與wus表型類似。這說(shuō)明組織中心標(biāo)記基因WUS能夠促進(jìn)CLV3表達(dá)，而CLV3可以抑制WUS表達(dá)。二者形成1個(gè)負(fù)反饋調(diào)節(jié)環(huán)，成為SAM中干細(xì)胞區(qū)基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的中心環(huán)節(jié)。WUS表達(dá)形成的信號(hào)因子轉(zhuǎn)運(yùn)至干細(xì)胞并在干細(xì)胞中梯度分布而維持干細(xì)胞活性，內(nèi)周邊區(qū)的細(xì)胞能接受這種信號(hào)因子發(fā)生脫分化回到干細(xì)胞狀態(tài)，從而維持干細(xì)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(xì)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(dòng)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(dá)。

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(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)時(shí)期表達(dá)區(qū)域主要集中于分生組織周邊區(qū)域和葉原基，SAM中只有短暫表達(dá)；生殖生長(zhǎng)時(shí)期這3個(gè)基因與擬南芥CLV1同源基因在SAM中同步表達(dá)^[25]。ZmWUS1/2和OsWUS表達(dá)模式說(shuō)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(xì)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(shuō)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(qiáng)，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 ORGAN NUMBER1（FON1）是CLV1同源基因，其突變體表型為分生組織的擴(kuò)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，F(xiàn)CP1在SAM和RAM中發(fā)揮維持分生組織細(xì)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(gè)基因的缺失對(duì)分生組織維持和花器官數(shù)量都沒有影響，表達(dá)分析顯示TD1沒有在分生組織中表達(dá)^[26]。這說(shuō)明CLE基因在單子葉植物分生組織中也發(fā)揮作用，但信號(hào)機(jī)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(jìn)根瘤形成。這2個(gè)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(duì)SAM活動(dòng)的調(diào)控作用

SHOOT MERISTEMLESS（STM）是獨(dú)立于WUS/CLV3途徑在SAM干細(xì)胞維持中發(fā)揮重要功能的轉(zhuǎn)錄因子，編碼Class I KNOX（knotted1-like homeobox）家族的蛋白^[33]。STM在分生組織的各個(gè)部位表達(dá)，發(fā)揮抑制細(xì)胞分化的作用^[34]。SAM中STM和WUS的作用互補(bǔ)：STM阻止細(xì)胞分化，WUS使一部分細(xì)胞特化為干細(xì)胞。STM和WUS的共同作用保持著SAM中干細(xì)胞增殖和器官原基形成的平衡，是維持SAM正?；顒?dòng)的重要保證^[35]。

植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)物質(zhì)中的生長(zhǎng)素和分裂素在植物莖尖、根尖中作用相反。細(xì)胞分裂素在促進(jìn)莖尖中細(xì)胞分裂的同時(shí)也促進(jìn)根尖中細(xì)胞的分化；生長(zhǎng)素促進(jìn)根尖中細(xì)胞分裂和莖尖中細(xì)胞分化。SAM中周圍區(qū)域高水平的生長(zhǎng)素和赤霉素（GA）與側(cè)生器官原基的生長(zhǎng)點(diǎn)緊密相連。高水平的細(xì)胞分裂素（CK）主要集中在SAM的中央?yún)^(qū)域中，促進(jìn)干細(xì)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(jìn)細(xì)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(jìn)細(xì)胞分裂和阻止細(xì)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(gè)單獨(dú)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(jìn)葉原基基部GA2氧化酶的表達(dá)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(xì)胞分化^[37]。

細(xì)胞分裂素信號(hào)可以促進(jìn)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(gè)負(fù)反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)。WUS直接抑制細(xì)胞分裂素應(yīng)答調(diào)控因子ARR7在SAM中的表達(dá)，以一種非常精確的方式控制細(xì)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(dá)，對(duì)葉片發(fā)育過程中的細(xì)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(xì)胞分裂素轉(zhuǎn)變?yōu)榧せ钚图?xì)胞分裂素^[38]，該基因在SAM頂端干細(xì)胞部位特異性表達(dá)。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(dá)模式^[6]。

SAM的周圍區(qū)域（PZ）中，干細(xì)胞和器官發(fā)生處于一種平衡狀態(tài)。KNOX和促進(jìn)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 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(dá)，對(duì)BP、KNAT2和KNAT6表達(dá)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(shí)現(xiàn)，該蛋白直接調(diào)控AS1表達(dá)。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(dá)。as1/2突變體中KNOX基因的異位表達(dá)可以在葉片中形成分生組織[34，37]，因此KNOX的準(zhǔn)確表達(dá)是影響葉正常發(fā)育的重要因素。

6 展望

SAM的調(diào)控信號(hào)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(gè)調(diào)控模型，可以看出WUS位于該模型的中心，是SAM中干細(xì)胞調(diào)控的主要調(diào)控因子。同樣，KNOX調(diào)控途徑可以認(rèn)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(gè)高細(xì)胞分裂素低赤霉素的環(huán)境。與WUS/CLV3同時(shí)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(fù)反饋調(diào)節(jié)功能共同維持干細(xì)胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定。

可以從2個(gè)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(gè)因子功能喪失時(shí)同樣可以維持SAM正?；顒?dòng)；二是持續(xù)形成干細(xì)胞保證形態(tài)建成的過程需要許多信號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行輔助調(diào)節(jié)以維持分裂分化平衡。對(duì)參與SAM調(diào)控的因子進(jìn)行詳細(xì)的時(shí)空動(dòng)態(tài)表達(dá)分析，可以對(duì)干細(xì)胞增殖和分化行為進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，同時(shí)可以對(duì)已知途徑進(jìn)行修正，而不同途徑的相互聯(lián)系則需要更多的證據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充。

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