調(diào)控植物莖端分生組織發(fā)育的WUSCHEL（WUS）、SHOOTMERISTEMLESS（STM）和CLAVATA3（CLV3）三個(gè)關(guān)鍵因子已被國(guó)內(nèi)外科學(xué)家發(fā)現(xiàn)20余年，學(xué)術(shù)界對(duì)WUS和STM蛋白調(diào)節(jié)CLV3轉(zhuǎn)錄和干細(xì)胞活性維持的關(guān)鍵作用有一定的認(rèn)識(shí)，但是對(duì)于它們?nèi)绾蜗嗷プ饔靡哉{(diào)節(jié)干細(xì)胞命運(yùn)的調(diào)控機(jī)制仍不十分清楚。

山東農(nóng)業(yè)大學(xué)張憲省教授科研團(tuán)隊(duì)歷時(shí)近十年，首次揭示了WUS、STM、CLV3三個(gè)關(guān)鍵因子之間精細(xì)的相互作用模式，解析了WUS和STM介導(dǎo)干細(xì)胞形成和維持調(diào)控途徑的交叉和協(xié)同，為進(jìn)一步分析植物莖端分生組織干細(xì)胞活性的調(diào)控機(jī)制提供了新的思路。該研究也是首次從分子水平解析了莖端干細(xì)胞激活因子和增效因子相互依存的作用模式，解決了困擾植物學(xué)家多年的關(guān)于植物干細(xì)胞調(diào)控的諸多疑問(wèn)，填補(bǔ)了近20年來(lái)干細(xì)胞調(diào)控領(lǐng)域關(guān)鍵因子之間相互關(guān)系的空白。北京時(shí)間8月25日，國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《美國(guó)科學(xué)院院報(bào)》（PNAS）在線(xiàn)發(fā)表了這一重要研究成果。

植物干細(xì)胞是一群具有自我更新能力并能夠不斷產(chǎn)生各種分化細(xì)胞的原始細(xì)胞，主要位于根尖和莖尖的分生組織以及形成層，在植物整個(gè)生命周期中保持其多能狀態(tài)，并控制著植物的生長(zhǎng)和發(fā)育。植物莖端干細(xì)胞決定了莖、葉、花、果實(shí)等地上部分器官的分化和發(fā)育，是所有地上部分器官細(xì)胞的來(lái)源，研究其調(diào)控機(jī)理對(duì)于解析植物器官的分化有重要意義。

20年來(lái)，利用模式植物擬南芥，科研人員經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的研究發(fā)現(xiàn)，WUS編碼組織中心的關(guān)鍵調(diào)控因子，能夠激活干細(xì)胞特征基因CLV3在組織中心上方的干細(xì)胞中表達(dá)，并賦予它們干細(xì)胞的特征。STM作為干細(xì)胞的另一個(gè)調(diào)控因子，與WUS共同過(guò)量表達(dá)會(huì)使植物的莖端干細(xì)胞數(shù)量顯著增加。

據(jù)了解，WUS蛋白早在1998年被首次報(bào)道，作為調(diào)控植物莖端干細(xì)胞的最關(guān)鍵調(diào)控因子，其功能和調(diào)控機(jī)制的研究一直是植物干細(xì)胞領(lǐng)域的熱點(diǎn)。2002年以來(lái)，關(guān)于WUS如何與其他因子相互作用形成調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，共同激活和維持干細(xì)胞活性的相關(guān)研究越來(lái)越少。為了進(jìn)一步解析WUS介導(dǎo)的調(diào)控途徑及調(diào)控機(jī)理，張憲省教授科研團(tuán)隊(duì)于2011年開(kāi)始篩選與WUS相互作用的直接互作蛋白，利用當(dāng)時(shí)最新的CO-IP結(jié)合蛋白質(zhì)譜篩選互作蛋白的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，希望能夠鑒定出新的WUS相互作用因子及其介導(dǎo)的調(diào)控莖端干細(xì)胞活性的遺傳途徑和分子機(jī)制。經(jīng)過(guò)多年的摸索，團(tuán)隊(duì)優(yōu)化了多種精細(xì)獲取莖端分生組織細(xì)胞和提取純化WUS蛋白的方法，獲得較穩(wěn)定的帶有標(biāo)記的WUS蛋白，終于篩選出了幾十個(gè)可能與WUS蛋白相互作用的因子，并在其中鑒定到了STM蛋白。

而STM蛋白1996年最早被報(bào)道，也是干細(xì)胞的關(guān)鍵激活與維持因子，其功能主要是維持干細(xì)胞的未分化狀態(tài)，抑制其分化產(chǎn)生各種器官的細(xì)胞。多數(shù)研究認(rèn)為STM介導(dǎo)的干細(xì)胞調(diào)控途徑與WUS介導(dǎo)的途徑相互獨(dú)立或者存在互補(bǔ)作用，但從未有報(bào)道說(shuō)STM和WUS有直接的相互作用。根據(jù)初步的相互作用實(shí)驗(yàn)結(jié)果提供的線(xiàn)索，團(tuán)隊(duì)利用各種遺傳和生化試驗(yàn)，證實(shí)了STM作為WUS互作蛋白起作用的機(jī)制。

論文第一作者蘇英華教授介紹，本研究證實(shí)了WUS蛋白能夠與STM直接相互作用形成異源二聚體，共同結(jié)合到CLV3的啟動(dòng)子上。STM通過(guò)與WUS相互作用形成復(fù)合體，進(jìn)一步增強(qiáng)WUS與CLV3啟動(dòng)子的結(jié)合強(qiáng)度，并激活其表達(dá)，從而增強(qiáng)莖端干細(xì)胞的活性。此外，STM的表達(dá)還反過(guò)來(lái)依賴(lài)于WUS，WUS可以直接激活其互作因子STM的表達(dá)，以保證STM作為干細(xì)胞增效因子的功能。

團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、通訊作者張憲省教授向記者介紹，植物干細(xì)胞研究不僅是植物發(fā)育生物學(xué)核心研究命題，也是作物分子遺傳改良和植物生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的重要基礎(chǔ)。本研究中的三個(gè)關(guān)鍵因子之間精細(xì)的相互作用模式對(duì)實(shí)現(xiàn)莖端分生組織內(nèi)干細(xì)胞的動(dòng)態(tài)平衡具有特殊的意義，也為莖端干細(xì)胞的發(fā)育調(diào)控提供了一個(gè)新的理論，即多能性干細(xì)胞調(diào)控因子在莖端分生組織中形成一個(gè)調(diào)控干細(xì)胞穩(wěn)態(tài)的精細(xì)調(diào)節(jié)單位，從分子水平解析了激活因子和增效因子相互依存的作用，為植物干細(xì)胞復(fù)雜的調(diào)控機(jī)制增添了新的內(nèi)容。

該成果深入揭示植物干細(xì)胞分子調(diào)控的機(jī)制，從根本上闡明植物的再生機(jī)制，即通過(guò)提高作物莖端干細(xì)胞激活因子的表達(dá)水平，增強(qiáng)莖端干細(xì)胞的活性，增加莖端分生組織干細(xì)胞的數(shù)目，能夠增加作物營(yíng)養(yǎng)器官的分化和發(fā)育，增加花器官的分化數(shù)量，形成更多的分枝，分化產(chǎn)生更多的籽粒。成果有望運(yùn)用于玉米、小麥等大田作物，對(duì)于加速作物快繁、提高作物再生能力、顯著提高作物的產(chǎn)量等方面有重要意義，同時(shí)也將推動(dòng)農(nóng)業(yè)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。