植物莖尖分生組織中的干細胞調(diào)控機制研究進展

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

關(guān)鍵詞：干細胞

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)

中圖分類號：Q942.6 文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：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。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(biāo)記基因WUSCHEL（WUS）和干細胞標(biāo)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。

[WTHZ]1 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、L3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L1和L2層，大多數(shù)單子葉植物SAM中只有L1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提供大量細胞，保證植物正常生長。

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?，F(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(zhǔn)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-ASSOCIATED 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(biāo)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 ORGAN 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，F(xiàn)CP1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（knotted1-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?；顒拥闹匾ＷC^[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?sup>[38]，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 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生組織[34，37]，因此KNOX的準(zhǔn)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?；顒樱欢浅掷m(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。

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