植物莖尖分生組織分化調(diào)控機(jī)制研究進(jìn)展

陸維超, 趙建國, 張　莉, 金　飚

(揚(yáng)州大學(xué) 園藝與植物保護(hù)學(xué)院, 江蘇揚(yáng)州 225009)

植物莖尖分生組織分化調(diào)控機(jī)制研究進(jìn)展

陸維超, 趙建國, 張莉, 金飚*

(揚(yáng)州大學(xué) 園藝與植物保護(hù)學(xué)院, 江蘇揚(yáng)州 225009)

摘要:莖尖分生組織是位于植物頂端具有持續(xù)分化能力的組織，通過細(xì)胞分裂、分化產(chǎn)生莖、葉和花等器官，形成植株地上部分。莖尖分生組織在分化過程中受外界環(huán)境因素、內(nèi)源激素水平和分子調(diào)控等影響，表現(xiàn)出明顯變化。該文綜合國內(nèi)外近年來有關(guān)莖尖分生組織分化調(diào)控的研究進(jìn)展，從莖尖分生組織的形態(tài)結(jié)構(gòu)和環(huán)境影響因素，以及激素調(diào)控和分子調(diào)控等方面，對莖尖分生組織分化活動(dòng)的研究進(jìn)行綜述，并對目前研究現(xiàn)狀存在問題及未來研究方向進(jìn)行了分析和展望。

關(guān)鍵詞:莖尖分生組織；分化；形態(tài)結(jié)構(gòu)；環(huán)境因素；激素；分子調(diào)控

高等植物的生長發(fā)育是由分生組織不斷分裂、分化所成。植株在早期胚形成后，上下頂端生長點(diǎn)開始有了保持分生能力的細(xì)胞群，稱之為頂端分生組織，隨著種胚萌發(fā)生長，形成地上莖尖分生組織(shootapicalmeristem,SAM)和地下根尖分生組織(rootapicalmeristem,RAM)。其中，莖尖分生組織分化為初生分生組織，并逐漸形成植物地上部分如莖、葉和花等[1-3]。在此分化過程中，莖尖分生組織在形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理生化、內(nèi)源激素含量以及分子水平上發(fā)生諸多變化，這些變化顯示了莖尖分生組織在不同發(fā)育過程的階段性特征，常作為研究莖尖分生組織發(fā)育規(guī)律的重要指標(biāo)。

近年來，隨著顯微解剖技術(shù)、高通量測序技術(shù)以及生物信息學(xué)的迅猛發(fā)展，莖尖分生組織發(fā)育分化及其影響因素等方面研究有了不少新發(fā)現(xiàn)。由于莖尖分生組織分化形成植物地上部分，這是農(nóng)作物以及林木地上生物量來源的基礎(chǔ)，因此，研究植物莖尖分生組織的發(fā)育分化規(guī)律，不僅是植物生長發(fā)育的基礎(chǔ)問題，對農(nóng)林植物產(chǎn)出也具有重要實(shí)際意義。本文通過對莖尖分生組織分化過程中形態(tài)結(jié)構(gòu)變化、環(huán)境影響因素、內(nèi)源激素變化以及分子調(diào)控機(jī)制等方面進(jìn)行闡述，并對該領(lǐng)域目前研究進(jìn)展、存在問題和未來研究方向進(jìn)行討論和展望。

1莖尖分生組織的形態(tài)結(jié)構(gòu)

植物莖尖分生組織一般為半球形穹頂狀結(jié)構(gòu)、具有持續(xù)或周期性分裂能力的細(xì)胞群，下端有葉原基和腋芽原基，有的還有芽鱗原基。目前，關(guān)于莖尖分生組織的形態(tài)結(jié)構(gòu)主要有兩種學(xué)說。一種是細(xì)胞組織分區(qū)學(xué)說，即根據(jù)細(xì)胞質(zhì)密度和細(xì)胞分裂率可將莖尖分生組織分為周緣分生組織區(qū)(peripheralzone,PZ)、中央母細(xì)胞區(qū)(centralzone,CZ)和肋狀分生組織區(qū)(ribzone,RZ)[4-5](圖1，a)。中央母細(xì)胞區(qū)細(xì)胞體積較大，高度液泡化且分裂緩慢；周緣分生組織區(qū)細(xì)胞圍繞中央母細(xì)胞區(qū)而生，體積較小，胞質(zhì)致密且分裂十分迅速，并能分化出為葉和花等器官提供前體細(xì)胞的側(cè)生器官；肋狀分生組織位于組織中心下方，主要分化為莖干組織。此外，作為干細(xì)胞源泉的中央母細(xì)胞區(qū)，分化過程中不斷補(bǔ)充周緣分生組織區(qū)和肋狀分生組織區(qū)，并始終保持中央母細(xì)胞區(qū)的完整性。研究證實(shí)，細(xì)胞組織分區(qū)學(xué)說在大部分種子植物中均適用。另一種是原套-原體學(xué)說，該學(xué)說認(rèn)為莖尖分生組織是由細(xì)胞的同源獨(dú)立層組成[6-7]。原套位于莖尖表面，由1層或數(shù)層排列整齊的細(xì)胞組成，原套細(xì)胞進(jìn)行垂周分裂，擴(kuò)大分生組織表面積；原體是原套內(nèi)側(cè)的一團(tuán)不規(guī)則排列的細(xì)胞，可沿著各種方向進(jìn)行分裂，增大體積。原套-原體結(jié)構(gòu)是被子植物所特有，裸子植物并無此類結(jié)構(gòu)，這也是被子植物和裸子植物的重要區(qū)別之一[8]。

被子植物中單子葉植物的莖尖分生組織只有表皮細(xì)胞與原體這兩層，而大多數(shù)雙子葉植物則由外表皮細(xì)胞層(L1)、亞表皮細(xì)胞層(L2)和原體(L3)組成(圖1，b)。進(jìn)一步研究表明，周緣分生組織區(qū)、中央母細(xì)胞區(qū)和側(cè)生器官都含有來自這3個(gè)同源獨(dú)立層的細(xì)胞，這意味著莖尖分化過程中需要不同細(xì)胞層之間的配合協(xié)作。如外表皮細(xì)胞層和原體在產(chǎn)生葉原基的過程中，相互適應(yīng)生長，共同參與葉原基的分化[9]。

胚胎發(fā)育過程中，莖尖分生組織的起源問題一直成為研究的熱點(diǎn)。關(guān)于起源時(shí)期的研究表明，原體-原套模型作為莖尖分生組織形成的重要標(biāo)志，在擬南芥(Arabidopsis thaliana)子葉形成前并不明顯，然而其他物種在子葉形成前，頂端分生組織細(xì)胞卻有明顯呈帶狀排列的現(xiàn)象出現(xiàn)，這表明不同物種莖尖分生組織起源時(shí)期并不相同，相關(guān)問題仍有待研究[10-11]。關(guān)于莖尖分生組織起源位置，目前普遍認(rèn)為，雙子葉植物莖尖分生組織形成于兩片子葉中部，而單子葉植物莖尖分生組織形成于子葉基部[10]。此外，莖尖分生組織在形態(tài)上的重要特性是能保持相對穩(wěn)定的大小。如樹齡700年花楸(Sorbus pohuashanensis)莖尖分生組織大小與同源幼齡樹苗相同[12]，這表明莖尖分生組織在生命周期中具有高度的穩(wěn)定性，能夠根據(jù)各功能區(qū)的相對位置決定分裂、分化還是維持不變，從而保持大小穩(wěn)定性。

2環(huán)境因子對莖尖分生組織分化的影響

首先，光是影響莖尖分生組織分化活性的重要環(huán)境因素，它不僅是高等植物光合作用的能量來源，同時(shí)也是生長發(fā)育的重要信號。植物生長過程中，莖尖分生組織的分化活性會(huì)隨光周期、光強(qiáng)和光照質(zhì)量的變化而變化[13-15]。大多數(shù)多年生植物的休眠都受到光周期的影響。短日照能夠誘導(dǎo)莖尖分生組織停止活動(dòng)，進(jìn)入休眠狀態(tài)。而長日照則能激活分生組織的分化活性，使莖尖重新進(jìn)入活躍生長期。譬如短日照能夠誘導(dǎo)樺樹(Betula pubescens)莖尖分生組織進(jìn)入休眠狀態(tài)，隨后給予長日照處理則能使分生組織恢復(fù)活動(dòng)[16]。此外，作為光照強(qiáng)度指標(biāo)之一的光量子通量密度(photosyntheticphotonfluxdensity,PPFD)也會(huì)顯著影響不同種薔薇(RosaL.)莖尖的分化活性，莖尖分生組織的分化活性會(huì)隨光量子通量密度的升高而增強(qiáng)，且莖尖分生組織的分化活性會(huì)被較低光量子通量密度激活[17]。在黑暗處理中，雖然薔薇莖尖分生組織分化活性被完全抑制，但擬南芥、番茄(Solanum lycopersicum)和毛白楊(Populus tomentosa)等模式植物的莖尖分生組織仍保持一定分化活性，說明不同物種的植物對光照強(qiáng)度的需求有所不同[17]。

a.細(xì)胞組織分區(qū)學(xué)說: PZ.周緣分生組織區(qū); CZ.中央母細(xì)胞區(qū); RZ.肋狀分生組織區(qū); b. 原套-原體學(xué)說: L1.外表皮細(xì)胞層; L2.亞表皮細(xì)胞層; L3.原體圖1　莖尖分生組織的結(jié)構(gòu)(改自文獻(xiàn)[7])a. Cellular compartment theory: PZ. The peripheral zone; CZ. The central zone; RZ. The rib zone; b. Tunica-corpus theory: L1. The epidermal layer; L2. The subepidermal layer; L3. The corpusFig. 1　Histology of the shoot apical meristem (SAM) (modified from Ref. [7])

其次，除了光周期因素，溫度在莖尖組織分化過程中也起著至關(guān)重要的作用[18-20]。對于大多數(shù)北溫帶木本植物而言，一些薔薇科植物，如蘋果(Malus domestica)和梨(Pyrus communis)等，在短日照處理下并未出現(xiàn)莖尖分生組織分化停滯和休眠現(xiàn)象；然而當(dāng)溫度低于12 ℃時(shí)，分生組織分化活性受到顯著抑制，分生組織細(xì)胞分裂速率放緩，并在生長停滯后分化出冬芽，進(jìn)入休眠狀態(tài)[21]。溫度除了單獨(dú)調(diào)控莖尖分化外，很多情況下還會(huì)與光周期協(xié)調(diào)作用[22]。在李屬(Prunus)植物研究中就發(fā)現(xiàn)，酸櫻桃(P. cerasus)、烏荊子李(P. insititia)和甜櫻桃(P. avium)在21 ℃高溫處理下，光周期對莖尖分生組織的分化活性均無顯著影響；而在低溫環(huán)境中，不同品種李屬植物莖尖對光周期的反應(yīng)差異顯著，如當(dāng)?shù)蜏? ℃時(shí)，有些品種無需光周期處理直接停止分化進(jìn)入休眠狀態(tài)，而有些品種仍需要短日照處理[23]。此外，也有研究發(fā)現(xiàn)光敏色素PHYA過表達(dá)的雜交山楊(Populus davidiana)，在低溫處理下仍會(huì)導(dǎo)致周緣分生組織區(qū)細(xì)胞停止分化成葉等側(cè)生器官，肋狀分生組織區(qū)向下生長停滯，表明低溫處理可改變光敏色素過表達(dá)所帶來的影響，光周期需要配合溫度來協(xié)同調(diào)控莖尖分生組織的分化過程[24]。

另外，水分和養(yǎng)分也會(huì)影響莖尖分生組織的分化。如當(dāng)環(huán)境中的水分減少時(shí)，玉米(Zea maysL.)會(huì)從根部釋放脫落酸，通過木質(zhì)部運(yùn)輸至莖尖；隨后，莖尖分生組織會(huì)對瞬間增加的脫落酸做出較為緩慢的反應(yīng)，如抑制周緣分生組織區(qū)的細(xì)胞分化和莖尖外表皮產(chǎn)生蠟狀物等，且分生組織分化活性也會(huì)受到影響[25]；而當(dāng)環(huán)境中水分過多時(shí)，玉米根部處于缺氧狀態(tài)，此時(shí)根部會(huì)通過莖干向莖尖輸送乙烯等激素，從而使莖尖部位乙烯含量急劇增加，導(dǎo)致莖尖分生組織分化紊亂，葉片失綠早衰[26]。此外，也有研究發(fā)現(xiàn)在莖尖分化過程中存在著由不同糖類共同調(diào)控的多重信號通路，如近期對龍膽屬(Gentiana)植物的研究發(fā)現(xiàn)，龍膽二糖能夠解除頂芽休眠，但并不參與頂芽萌發(fā)的過程[27]。外界環(huán)境條件對莖尖分生組織分化活動(dòng)的調(diào)控非常復(fù)雜，環(huán)境因素如光照、溫度、水分和養(yǎng)分等在莖尖分化過程中都發(fā)揮著重要作用，且各種環(huán)境因素相互協(xié)作共同調(diào)控著莖尖分生組織的分化進(jìn)程。

3植物激素對莖尖分生組織分化的調(diào)控

生長素(auxin,IAA)是調(diào)控植物莖尖分生組織發(fā)育和植物次生結(jié)構(gòu)形成的重要植物激素之一，其梯度分布及極性運(yùn)輸(polarauxintranspot,PAT)在莖尖分生組織的分化過程中起著重要作用[28-30]。如擬南芥pin1突變體植株，由于生長素極性運(yùn)輸受到影響，莖尖分生組織不能正常進(jìn)行分化，細(xì)胞分裂減少；而當(dāng)突變體的分生組織用較低濃度的外源生長素處理后，周緣分生組織區(qū)細(xì)胞能夠響應(yīng)生長素濃度變化，細(xì)胞生長速度加快并能分化出新器官[31]，說明較低濃度下生長素能正向調(diào)控莖尖分生組織的分化。通過突變體和化學(xué)處理等手段減少生長素極性運(yùn)輸會(huì)導(dǎo)致葉原基形成受到抑制；隨后對其施加外源生長素，莖尖分生組織分化活性重新恢復(fù)，并在處理位點(diǎn)有新葉形成。生長素在莖尖的空間梯度分布也證明這一觀點(diǎn)，將側(cè)生器官發(fā)育過程的相關(guān)階段定義為間隔期(plastochron,P)，最新萌發(fā)葉片的區(qū)域定義為P1，緊接著萌發(fā)葉片的區(qū)域定義為P2，即將形成下一個(gè)葉原基的區(qū)域定義為P0，生長素主要分布在中央母細(xì)胞區(qū)和P0區(qū)(圖2)。當(dāng)生長素濃度低于最適濃度時(shí)，位于中央母細(xì)胞區(qū)的生長素主要用于加快莖尖細(xì)胞分裂活動(dòng)，促進(jìn)植株向上生長；位于周緣分生組織區(qū)P0處生長素則促使該區(qū)域細(xì)胞分化，形成新的葉原基，從而進(jìn)一步執(zhí)行莖尖分生組織的功能。較低濃度生長素對莖尖分生組織的分化起著促進(jìn)作用，而當(dāng)生長素濃度高于一定閥值(最適濃度)時(shí)，生長素則會(huì)對莖尖分生組織的分化起到抑制作用。如有研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)P0區(qū)生長素濃度過高時(shí)，新葉無法形成；然而，隨著莖尖分生組織的生長發(fā)育，P0區(qū)生長素濃度逐漸降低，當(dāng)濃度低于最適濃度時(shí)，抑制作用失效，新葉開始萌發(fā)[32]。另有研究表明，光周期也與生長素的梯度分布密切相關(guān)。光周期通過影響生長素極性運(yùn)輸抑制劑萘基鄰氨甲酰苯甲酸(N-1-naphylphtalamicacid,NPA)來調(diào)控生長素極性運(yùn)輸，改變生長素梯度分布，從而影響莖尖分生組織的分化活性[33]。

細(xì)胞分裂素(cytokinin,CTK)正向調(diào)控莖尖分生組織的細(xì)胞分化，并能控制分生組織的大小。擬南芥的相關(guān)研究表明，編碼細(xì)胞分裂素受體組氨酸激酶(HISTIDINEKINASE,AHK)的基因突變體ahk2、ahk3和ahk4均表現(xiàn)出多效性表型，如促使莖尖分生組織變小和減少葉原基萌發(fā)率，并會(huì)抑制新葉分化[34]。Werner等研究也發(fā)現(xiàn)，在煙草(Nicotiana tabacum)和擬南芥中，通過提高細(xì)胞分裂素氧化酶(cytokininoxidase,CKX)的表達(dá)來降低內(nèi)源性細(xì)胞分裂素含量，同樣也會(huì)導(dǎo)致分生組織變小和新葉萌發(fā)率降低，并偶爾會(huì)有分生組織在產(chǎn)生少量新葉后不能再繼續(xù)產(chǎn)生新器官[35, 36]。在空間分布上，細(xì)胞分裂素主要集中在中央母細(xì)胞區(qū)，該區(qū)域細(xì)胞分裂素的高含量有利于維持干細(xì)胞數(shù)量，進(jìn)而控制分生組織大小(圖2)。此外，在黑暗環(huán)境下，細(xì)胞分裂素的信號強(qiáng)度會(huì)發(fā)生減弱，而在光照條件下則相反，表明光照能夠通過控制細(xì)胞分裂素信號通路的強(qiáng)度來影響莖尖分生組織的分化活性[37](圖3)。

事實(shí)上，植物激素調(diào)控莖尖分生組織的分化是一個(gè)復(fù)雜的信號調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。許多研究表明，各激素信號及其協(xié)同互作在莖尖分生組織分化調(diào)控中具有重要作用，如細(xì)胞分裂素和赤霉素(gibberellin,GA)、乙烯(ethylene,ETH)，生長素和脫落酸(gbscisicacid,ABA)、細(xì)胞分裂素[38-40]。近期有研究表明，多肽激素(peptidehormones)作為信號分子在細(xì)胞與細(xì)胞之間短距離的信號傳導(dǎo)中起著關(guān)鍵作用，同時(shí)也影響著莖尖分生組織的分化過程[41]。此外，獨(dú)腳金內(nèi)酯(strigolactone,SL)在分生組織中也可以通過影響生長素流出載體PIN1(PIN-FORMED 1, PIN1)來調(diào)控生長素極性運(yùn)輸，從而控制莖尖分生組織的分化過程[42]。

4莖尖分生組織分化的分子調(diào)控機(jī)制

4.1莖尖分生組織分化活動(dòng)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控

轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控是真核生物基因表達(dá)調(diào)控的重要環(huán)節(jié)，可根據(jù)周邊環(huán)境或自身發(fā)育需要通過轉(zhuǎn)錄因子(transcriptionfactors,TFs)在特定條件下對基因轉(zhuǎn)錄活性進(jìn)行調(diào)控，進(jìn)而影響莖尖分生組織的分化活動(dòng)。轉(zhuǎn)錄因子是一群能與基因5′端上游特異性結(jié)合，進(jìn)而促使目的基因以特定的強(qiáng)度在特定的時(shí)間和空間表達(dá)的蛋白質(zhì)分子。有關(guān)莖尖分生組織分化活動(dòng)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控研究大多與植物激素相關(guān)。如I型KNOX基因家族(classIKNOXfamily)在莖尖分生組織中表達(dá)且與KNOTTID1序列相似，主要功能是維持莖尖分生組織的特征，且能與激素相互作用共同調(diào)控莖尖分生組織的分化活動(dòng)。研究發(fā)現(xiàn)，I型KNOX基因家族與CTK/GA之間的表達(dá)水平存在密切關(guān)系，具體表現(xiàn)在控制器官分化過程[28, 43]。在擬南芥莖尖分生組織中，屬于I型KNOX轉(zhuǎn)錄因子家族基因的STM(SHOOT STEMLESS, STM)可通過正向刺激CTK生物合成基因IPT7(ISOPENTENYLTRANSFERASE 7, IPT7)和激活CTK響應(yīng)因子ARR5(ARABIDOPSIS RESPONSE REGULATOR, ARR)來調(diào)控CTK表達(dá)水平[44](圖3)。同時(shí)，CTK也可通過STM迅速提升I型KNOX同源基因KNOX1(class I KNOTTED1-LIKE HOMEOBOX, KNOX1)的轉(zhuǎn)錄水平。此外，KNOX1能通過抑制GA合成基因如GA20ox(GA20 oxidase, GA20ox)，以及促進(jìn)GA代謝基因如GA2ox(GA2 oxidase, GA2ox)的表達(dá)，從而抑制GA在莖尖分生組織中的表達(dá)水平[45](圖3)。這些研究結(jié)果顯示I型KNOX基因家族可通過影響CTK/GA的表達(dá)水平，進(jìn)而調(diào)控莖尖分生組織的細(xì)胞分化。

KNXO1除了與CTK/GA之間關(guān)系密切外，與周緣分生組織區(qū)內(nèi)源性生長素也密切相關(guān)，并由此影響細(xì)胞分化過程。研究發(fā)現(xiàn)，生長素通過參與生長素極性運(yùn)輸?shù)目缒さ鞍譖IN1來識別原基萌發(fā)的特異位點(diǎn)；隨后，通過IAA-PIN1反饋調(diào)節(jié)環(huán)抑制KNOX1的表達(dá)，從而調(diào)控器官分化[28]。此外，轉(zhuǎn)錄水平上生長素也可通過調(diào)控蛋白AS1(ASYMMETRICLEAVES1,AS1)進(jìn)而抑制KNOX1的表達(dá)。分生組織分化后期，生長素還能通過影響其他轉(zhuǎn)錄因子的活化作用，進(jìn)而調(diào)控誘導(dǎo)新葉進(jìn)一步分化的激素水平[46]。譬如生長素可通過ARF7(AUXIN RENSPONSE FACTOR7, ARF7)激活GA20ox，生長素也可在分生組織邊緣處促進(jìn)GA2ox酶的活性[47](圖3)。表明I型KNOX基因家族在莖尖分生組織的分化過程中與植物激素CTK、GA和生長素關(guān)系密切，共同調(diào)控分化進(jìn)程。

擬南芥AIL/PLT(AINTEGUMENTA-LIKE/PLETHORA,AIL/PLT)轉(zhuǎn)錄因子隸屬于AP2/ERF(APETALA2/ETHYLENERESPONSEFACTOR,AP2/ERF)家族，主要特征是至少含有一個(gè)由60～70個(gè)氨基酸組成的高度保守DNA結(jié)合區(qū)，通過生長素調(diào)控通路在植物生長發(fā)育過程中發(fā)揮作用[48]。編碼轉(zhuǎn)錄因子AIL/PLT家族的基因ANT(AINTEGUMENTA, ANT)、AIL6(AINTEGUMENTA-LIKE6, AIL6)/PLT3(PLETHORA3, PLT3)和AIL7(AINTEGUMENTA-LIKE7, AIL7)/PLT7(PLETHORA7, PLT7)均能參與調(diào)控莖尖分生組織的分化活性，這些基因的缺失會(huì)影響植株莖尖分生組織的分化活性。研究發(fā)現(xiàn)生長7d的ant、ail6和ail7擬南芥突變體小苗，干細(xì)胞區(qū)域出現(xiàn)細(xì)胞分裂分化減少的現(xiàn)象，并且參與調(diào)控莖尖形態(tài)穩(wěn)定的WUS(WUSCHEL, WUS)、CLV3(CLAVATA3, CLV3)和STM基因也均發(fā)生異位表達(dá)[49]。

番茄莖尖環(huán)境掃描電鏡圖：a.莖尖細(xì)胞組織分區(qū)圖; b.生長素(AUXIN)空間梯度分布圖; c.細(xì)胞分裂素(CTK)空間梯度分布圖; P1.新萌發(fā)葉片區(qū)域; P2.其次萌發(fā)葉片區(qū)域; P0.即將形成新葉原基區(qū)域圖2　番茄莖尖生長素和細(xì)胞分裂素的空間分布(改自文獻(xiàn)[38])The scanning electron microscope (SEM) image of a tomato SAM: a. Cellular compartment of SAM; b. The spatial distribution of auxin; c. The spatial distribution of cytokinin (CTK); P1. The primordium of the youngest initiating leaf; P2. The next oldest leaf; P0. The region recruited to produce the next leaf primordiumFig. 2　The spatial distribution of auxin and cytokinin (CTK) in the shoot tip (modified from Ref.[38])

CZ. 中央母細(xì)胞區(qū); PZ. 周緣分生組織區(qū); RZ. 肋狀分生組織區(qū); light. 光照; CTK. 細(xì)胞分裂素; CTK signal. 細(xì)胞分裂素信號;CLV3. CLV3基因; WUS. WUS基因; ARR. ARR基因; LCR. LCR基因; Auxin. 生長素; ARF. 生長素受體; GA2ox. GA2氧化酶基因;GA20ox. GA20氧化酶基因; GA. 赤霉素; KNOX1. KNOX1基因; IPT7. IPT7基因; SPL. SPL基因; AP2. AP2基因; IAA-PIN1 loop.生長素-PIN1蛋白反饋調(diào)節(jié)環(huán); TCP. TCP基因; CUC. CUC基因; DNA methylation. DNA甲基化; histone modification.組蛋白修飾; chromatin remodeling. 染色質(zhì)重塑藍(lán)色區(qū)域?yàn)榧磳⒚劝l(fā)葉原基部位; 黑色箭頭為促進(jìn)作用; 紅色實(shí)線為抑制作用; 紅色虛線為潛在抑制作用;紅色框.miRNA; 藍(lán)色框.激素; 基因.綠色框圖3　莖尖分生組織分化分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)CZ. The central zone; PZ. The peripheral zone; RZ. The rib zone; CTK. Cytokinin; CLV3. CLAVATA3; WUS. WUSCHEL; ARR.ARABIDOPSIS RESPONSE REGULATOR; LCR. LEAF CURLING RESPONSIVENESS; ARF. AUXIN RENSPONSE FACTOR; GA2ox. GA2 oxidase; GA20ox. GA20 oxidase; GA. Gibberellin; KNOX1. class I KNOTTED1-LIKE HOMEOBOX; IPT7. ISOPENTENYLTRANSFERASE 7; SPL. SQUAMOSA PROMOTER BINDING PROTEIN-LIKE; AP2. APETALA 2;TCP. TEOSINTE BRANCHED1, CYCLOIDEA and PROLIFERATING CELL FACTOR1; CUC. CUP-SHAPED COTYLEDON. The blue frame. the region recruited to produce the next leaf primordium; Black arrow. promotion; Red solid line. inhibition;Red imaginary line. potential inhibition; Red block. miRNA; Blue block. hormone; Green block. geneFig. 3　Regulatory networks in the control of the SAM cell differentiation

植物生長過程中，除莖尖分生組織分布有大量未分化的干細(xì)胞，根尖分生組織也含有大量干細(xì)胞，主要分化形成植物地下部分。雖然這兩者都屬于分生組織且均含有干細(xì)胞，但由于他們的結(jié)構(gòu)和功能有明顯的不同，所以在對干細(xì)胞活性及分化功能的分子調(diào)控機(jī)制上具有顯著差別。如，轉(zhuǎn)錄因子WOX5(WUSCHEL-RELATEDHOMEOBOX5,WOX5)會(huì)在根尖QC(quiescentcenter,QC)區(qū)域特異表達(dá)，主要參與調(diào)控根尖中干細(xì)胞活性，并通過抑制CYCD3;3表達(dá)來阻礙細(xì)胞分化，從而促使根尖細(xì)胞沉默[50]。SHR(SHORTROOT,SHR)和SCR(SCARECROW,SCR)轉(zhuǎn)錄因子參與調(diào)控非對稱性細(xì)胞分化，這種分化有益于根尖分生組織形成明顯的細(xì)胞分層。當(dāng)SHR或SCR缺失會(huì)導(dǎo)致根系長度變短以及QC區(qū)域細(xì)胞反常，表明這些轉(zhuǎn)錄因子在維持干細(xì)胞穩(wěn)定的過程中起著重要作用[51]。但前人研究發(fā)現(xiàn)WOX5和SHR/SCR僅在根尖中有表達(dá)，莖尖中并無表達(dá)。此外，AIL(AINTEGUMENTA-LIKE,AIL)家族成員PLT1-3(PLETHORA1-3,PLT1-3)和BBM(BABYBOOM,BBM)也參與調(diào)控根尖分生組織特性的維持。PLTs在根尖分生組織中穩(wěn)定表達(dá)，plt1 plt2雙突變體表現(xiàn)出根尖分生組織尺寸嚴(yán)重縮小的現(xiàn)象，證明PLTs在QC內(nèi)部及周邊區(qū)域的梯度分布能夠影響細(xì)胞的分化進(jìn)程[52]。然而有研究發(fā)現(xiàn)同屬于AIL家族的其他成員如ANT、AIL6和AIL7等同時(shí)也能參與調(diào)控莖尖分生組織的分化活性[49]。以上研究結(jié)果說明，有些轉(zhuǎn)錄因子僅在莖尖或根尖中表達(dá)，是根尖或莖尖中所特有的轉(zhuǎn)錄因子；有些可同時(shí)在莖尖與根尖中表達(dá)，但這些轉(zhuǎn)錄因子在根尖和莖尖中參與細(xì)胞分裂和分化的轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制是否相同，相關(guān)研究未見報(bào)道，有待進(jìn)一步研究。

4.2miRNA對莖尖分生組織分化活動(dòng)的調(diào)控

miRNA是在真核生物中發(fā)現(xiàn)的一類大小長約20～25個(gè)核苷酸的內(nèi)源性具有調(diào)控功能的非編碼RNA，其可通過堿基互補(bǔ)配對的方式識別靶mRNA，進(jìn)而降解靶mRNA或者阻遏靶mRNA的翻譯，最終達(dá)到抑制特定基因表達(dá)的目的。植物miRNA是一種非常重要的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控因子，廣泛地參與到植物個(gè)體發(fā)育以及植物對環(huán)境信號的響應(yīng)過程中。Ⅲ型同源異型-亮氨酸拉鏈(classⅢHOMEODOMAIN-LEUCINEZIPPER)蛋白是高等植物所特有的一類轉(zhuǎn)錄因子，它包含一個(gè)高度保守的同源異型結(jié)構(gòu)域，結(jié)構(gòu)域末端緊密連接著一個(gè)亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu)域，并能廣泛參與到植物生長發(fā)育過程中，如分生組織形成、側(cè)生器官發(fā)生和維管系統(tǒng)發(fā)育等[53]。Ⅲ型HD-ZIP基因家族包括PHB(PHABULOSA, PHB)、PHV(PHAVOLUTA, PHV)、REV(REVOLUTA, REV)、AtHB-8和AtHB-15。研究發(fā)現(xiàn)，在擬南芥jabba-1D突變體中，miR166過表達(dá)則會(huì)導(dǎo)致Ⅲ型HD-ZIP基因家族中AtHB-9/PHV、AtHB-14/PHB和AtHB-15的mRNA下調(diào)，從而促使莖尖分生組織體積膨大[54]。除擬南芥外，在另一種模式植物煙草中，miR166也可通過抑制Ⅲ型HD-ZIP表達(dá)來調(diào)控莖尖分生組織的大小。另有研究表明，WUS基因在莖尖中特異表達(dá)，編碼同源異構(gòu)型轉(zhuǎn)錄因子，主要參與分生組織表型變化的過程。當(dāng)miR166在植株中過表達(dá)時(shí)，WUS基因表達(dá)水平會(huì)有所降低，導(dǎo)致莖尖分生組織體積膨大[55]。這些結(jié)果表明，miR166可通過調(diào)控Ⅲ型HD-ZIP基因家族和WUS基因來影響莖尖分生組織的形態(tài)結(jié)構(gòu)(圖3)。miR165靶基因同樣也是Ⅲ型HD-ZIP基因家族，但與miR166不同，miR165過表達(dá)則會(huì)導(dǎo)致Ⅲ型HD-ZIP基因家族全部5個(gè)基因轉(zhuǎn)錄水平均下降，并會(huì)導(dǎo)致莖尖分生組織的缺失[56]。由此可見，雖然miR166和miR165控制相同靶基因的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控，但對干細(xì)胞維持的影響卻表現(xiàn)出互逆關(guān)系。

在植物中，分生組織的分化過程都與miR156和miR172的拮抗作用有關(guān)[57-59]。隨著分化進(jìn)行，miR156表達(dá)水平隨miR172表達(dá)的逐漸升高而降低，且miR156靶基因SPL(SQUAMOSA PROMOTER BINDING PROTEIN-LIKE, SPL)和miR172靶基因AP2(APETALA 2, AP2)在表達(dá)過程中呈現(xiàn)出互補(bǔ)模式。SPL是高等植物特有的功能基因，參與調(diào)控植物胚胎發(fā)育、頂端優(yōu)勢和葉片發(fā)育等，主要特征是含有一個(gè)由80個(gè)左右氨基酸殘基組成的高度保守DNA結(jié)合域，稱為SPL功能域；AP2基因在植物體內(nèi)主要參與調(diào)控分生組織的分化發(fā)育，其所編碼的AP2/EREBP轉(zhuǎn)錄因子的共有特點(diǎn)是都至少含有一個(gè)由60～70個(gè)氨基酸殘基組成的保守DNA結(jié)合區(qū)，稱作AP2結(jié)合域。有研究表明，提高miR156的表達(dá)水平會(huì)導(dǎo)致miR172活性減弱，從而阻礙分生組織分化進(jìn)程，推遲新葉萌發(fā)；然而，當(dāng)通過調(diào)控miR156釋放更多SPL時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)葉片更早成形和花期提前等現(xiàn)象，類似現(xiàn)象也可在miR172靶基因AP2表達(dá)水平偏低的植株中觀察到[59]。另外，miR156靶基因SPL可分為兩大類，一類是小型SPL蛋白，如SPL3、SPL4和SPL5；另一類是大型SPL蛋白，如SPL9、SPL10和SPL15。其中，大型SPL蛋白如SPL9可直接與miR172b促進(jìn)因子相結(jié)合[58, 60]。這表明SPL蛋白可通過提高miR172的表達(dá)水平，進(jìn)而影響莖尖分生組織的分化活性(圖3)。此外，某些miRNA不僅在莖尖中能對其分化過程產(chǎn)生影響，而且在其他分生組織如花序分生組織(inflorescencemeristem,FM)中也能起到類似的作用。如miR172同樣可通過降解AP2基因影響花序分生組織的分化過程，而AP2過表達(dá)植株會(huì)在花序分生組織側(cè)翼處分化出過多雄蕊[61]。這說明miR172通過抑制AP2的表達(dá)，在花序分生組織干細(xì)胞調(diào)控過程中也起著重要作用，且AP2主要參與維持干細(xì)胞穩(wěn)定，miR172則促使干細(xì)胞分化。

擬南芥中，分生組織的建立和維持已被證實(shí)受CUC(CUP-SHAPED COTYLEDON, CUC)基因調(diào)控，CUC基因隸屬于NAC轉(zhuǎn)錄因子基因家族，主要結(jié)構(gòu)特征是其編碼蛋白的N末端具有高度保守NAM結(jié)構(gòu)域，C末端則高度變異，為轉(zhuǎn)錄激活功能區(qū)。研究發(fā)現(xiàn)，CUC家族包含3個(gè)部分冗余基因CUC1、CUC2和CUC3，而miR164則可降解CUC1和CUC2的mRNA[62-64]。如miR164過表達(dá)植株的分生組織結(jié)構(gòu)會(huì)有缺陷，且在cuc3-2突變體中miR164過表達(dá)會(huì)導(dǎo)致分生組織的形成受到抑制，而miR164突變體則會(huì)在葉腋處產(chǎn)生多余的幼芽[62]。并且降低miR164的表達(dá)水平會(huì)導(dǎo)致分生組織邊緣區(qū)域膨大化，且這種膨大化現(xiàn)象與周緣分生組織細(xì)胞分化模式的改變有關(guān)[64]。這些研究表明，miR164通過降解CUC1和CUC2，進(jìn)而抑制分生組織邊緣區(qū)域膨大化，是莖尖分生組織分化調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。另有研究發(fā)現(xiàn)，miR319在分生組織中的作用與miR164相似[65]。miR319能夠抑制其靶基因TCP(TEOSINTE BRANCHED1, CYCLOIDEA and PCF, TCP)表達(dá)，而TCP在擬南芥中參與葉片形成的過程[66]。此外，TCP可直接結(jié)合到miR164調(diào)控序列，進(jìn)而抑制其表達(dá)，從而誘導(dǎo)miR164的靶基因CUC異位表達(dá)[66, 67](圖3)。由此可見，miR164和miR319在分生組織邊緣區(qū)域關(guān)系密切，共同調(diào)控莖尖分生組織的分化過程。

值得注意的是，由于植物miRNAs與其靶基因在堿基序列上具有高度互補(bǔ)性，并且隨著生物信息學(xué)的不斷發(fā)展，通過技術(shù)手段已經(jīng)能夠預(yù)測一些miRNAs的靶基因，其中一些有關(guān)miRNAs潛在靶基因的假設(shè)也逐漸被越來越多的實(shí)驗(yàn)結(jié)果所證實(shí)[68-70]。有報(bào)道認(rèn)為，生長素信號通路中的許多基因都是一些miRNAs的潛在靶基因[69, 70]。如生長素感受因子TIRI被預(yù)測為miR393潛在靶基因[69]。一些ARFs也包含潛在miRNA結(jié)合位點(diǎn)，如ARF10、ARF16和ARF17是miR160的潛在靶基因，ARF6和ARF8是miR167的潛在靶基因[70]。而ARF作為生長素響應(yīng)因子，廣泛參與到莖尖分生組織分化調(diào)控過程中，故miR160和miR167也有可能會(huì)影響莖尖分生組織的分化活性，相關(guān)領(lǐng)域仍有待研究(圖3)。此外，miR394的靶基因LCR(LEAF CURLING RESPONSIVENESS, LCR)基因編碼的F-box蛋白能夠阻礙莖尖分生組織中干細(xì)胞的分化活動(dòng)，這表明miR394能夠間接影響莖尖分生組織的分化活動(dòng)[71]。

4.3其他基因調(diào)控

隨著遺傳學(xué)研究的不斷發(fā)展，越來越多參與干細(xì)胞功能調(diào)控的分子機(jī)制被發(fā)現(xiàn)，維持莖尖分生組織特征的基因主要有WUS、CLV1、CLV3和STM等，其中研究較為深入的機(jī)制是WUS和CLV3的反饋調(diào)節(jié)環(huán)[5]。研究表明，莖尖分生組織中存在一個(gè)位于中央母細(xì)胞區(qū)和肋狀分生組織區(qū)交界處，由干細(xì)胞庫組成的組織中心區(qū)(organizingcenter,OC)。WUS在莖尖分生組織的組織中心區(qū)特異性表達(dá)，有利于維持干細(xì)胞未分化的特性，且WUS梯度的維持也有利于調(diào)控莖尖分生組織中干細(xì)胞的數(shù)量[72]。當(dāng)WUS活性喪失時(shí)，分生組織中的細(xì)胞會(huì)開始不斷分裂分化，最終因其結(jié)構(gòu)原因停止膨脹，且只有少量葉片萌發(fā)。此外，在組織中心區(qū)上方的中央母細(xì)胞區(qū)中有一個(gè)由信號肽CLV3、富亮氨酸受體蛋白CLV1和CLV2組成的負(fù)反饋調(diào)節(jié)環(huán)。有研究認(rèn)為，這個(gè)配體-受體復(fù)合體能夠抑制WUS在組織中心區(qū)的表達(dá)。如在擬南芥clv1突變體中，植株會(huì)表現(xiàn)出莖尖分生組織膨大、莖干扁平化和花果比例增加等性狀[73]。并且，也有研究認(rèn)為，WUS的轉(zhuǎn)錄水平能夠促進(jìn)CLV基因在中央母細(xì)胞區(qū)的表達(dá)[74]。上述結(jié)果表明，CLV3能夠抑制WUS表達(dá)，而WUS則可促進(jìn)CLV表達(dá)，兩者共同調(diào)控莖尖分生組織中干細(xì)胞的分化(圖3)。

WUS/CLV反饋調(diào)節(jié)環(huán)與植物激素之間的調(diào)控機(jī)制一直以來都是研究的熱點(diǎn)[75]。有研究發(fā)現(xiàn)，WUS能夠直接抑制CTK響應(yīng)因子ARR(ARABIDOPSIS RESPONSE REGULATOR, ARR)基因的轉(zhuǎn)錄，如ARR5、ARR6、ARR7和ARR15(圖3)。此外，CTK在莖尖分生組織中的分布也不均勻，CTK主要分布在CLV的表達(dá)區(qū)域中央母細(xì)胞區(qū)中，然而同時(shí)在WUS表達(dá)的區(qū)域中卻發(fā)現(xiàn)了極強(qiáng)的CTK信號，這表明CTK能夠通過CLV調(diào)控WUS的表達(dá)[76]。同時(shí)考慮到WUS能夠抑制A型ARR，而A型ARR通常會(huì)阻斷CTK的信號通路，說明CTK信號通路應(yīng)該是與WUS成正反饋調(diào)節(jié)環(huán)[75](圖3)。

除WUS/CLV與植物激素在莖尖分生組織分化過程中關(guān)系密切外，其他基因也可與植物激素協(xié)同互作，如AMP1(ALTERED MERISTEM PROGRAM1, AMP1)基因在擬南芥中的作用已見報(bào)道。擬南芥amp1突變體中發(fā)現(xiàn)CTK能夠改變分生組織體積大小，amp1突變體的分生組織表現(xiàn)出體積增大，葉片萌發(fā)增多以及CTK含量增高等現(xiàn)象[77]。然而，有關(guān)AMP1基因在擬南芥中的具體調(diào)控網(wǎng)絡(luò)尚未完全探明?，F(xiàn)階段研究表明，AMP1基因與生長素調(diào)控基因MP(MONOPTEROS, MP)呈現(xiàn)出互逆作用[78]。并且在玉米中，AMP1同源基因VP8(VIVIPAROUS8, VP8)的突變體vp8與擬南芥amp1突變體相似，也表現(xiàn)出葉片萌發(fā)減少、植株變矮以及發(fā)育時(shí)期改變等現(xiàn)象，同時(shí)在生長素和CTK含量不變的情況下，植株內(nèi)ABA含量降低[79]。這些結(jié)果表明，AMP1基因可能通過多條激素信號通路在莖尖分生組織分化過程中發(fā)揮著作用，但具體調(diào)控網(wǎng)絡(luò)仍有待進(jìn)一步研究。

另外，SHO(shoot organization, SHO)基因也與莖尖分生組織的分化過程有關(guān)。在早期營養(yǎng)階段，sho突變體葉片萌發(fā)率升高，且萌發(fā)出的葉片葉形短窄，莖尖分生組織呈扁平狀。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，sho突變體葉片迅速隨機(jī)產(chǎn)生，與分生組織細(xì)胞分裂的速率加快和無組織性以及同源基因OSH1表達(dá)量降低有關(guān)，sho突變體相比于野生型植株含有更少的未分化干細(xì)胞[80]。同時(shí)，在植株開花過程中FT(FLOWERING LOCUS T, FT)基因可使莖尖分生組織的狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變，能夠促使其由營養(yǎng)芽分化成花芽，同時(shí)多年生木本植物中，F(xiàn)T同源基因參與調(diào)控莖尖分生組織從營養(yǎng)芽轉(zhuǎn)變?yōu)樾菝哐?。因此，F(xiàn)T基因被認(rèn)為是調(diào)控莖尖分生組織狀態(tài)轉(zhuǎn)變的重要影響因素[81]。此外，光敏色素PHYA可以通過CO(CONSTANS, CO)基因控制FT基因的表達(dá)水平[82]。但有關(guān)FT/CO基因在莖尖分生組織分化過程中的調(diào)控機(jī)制尚不清楚，相關(guān)領(lǐng)域仍有待拓展。

5展望

植物莖尖分生組織分化過程的特征、規(guī)律及其影響因素一直是莖尖分生組織研究的熱點(diǎn)之一。植物莖尖分生組織的分化是一個(gè)極其復(fù)雜的過程，涉及大量的形態(tài)結(jié)構(gòu)變化、環(huán)境影響因素、內(nèi)源激素變化以及分子調(diào)控機(jī)制。前人有關(guān)植物莖尖分生組織分化調(diào)控機(jī)制的研究主要集中在激素調(diào)控和轉(zhuǎn)錄調(diào)控方面，近年來隨著相關(guān)miRNA研究明顯增多，莖尖分生組織轉(zhuǎn)錄后調(diào)控的分化機(jī)制正在得到更多關(guān)注。相比之下，在其他非編碼RNA以及DNA甲基化(DNAmethylation)、組蛋白修飾(histonemodification)、染色質(zhì)重塑(chromatinremodeling)等方面研究仍然缺乏，而這些方面在動(dòng)物干細(xì)胞的研究已經(jīng)較為深入。其次，動(dòng)物干細(xì)胞研究目前已經(jīng)進(jìn)入到單細(xì)胞水平，而植物干細(xì)胞仍停留在組織水平。這些研究方向都值得植物干細(xì)胞研究參考和進(jìn)一步挖掘，以更好地闡明植物莖尖分生組織分化調(diào)控機(jī)制。

此外，目前莖尖分生組織分化相關(guān)研究主要集中于擬南芥、煙草和水稻等模式植物，相關(guān)分子生物學(xué)研究較為深入，但在非模式植物中分子水平上的研究很少。隨著高通量測序以及單分子測序技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多植物種類的全基因組得到測序和公開，為非模式植物莖尖分生組織的分子調(diào)控研究提供了背景遺傳信息，一些重要經(jīng)濟(jì)作物和林木莖尖分生組織分子調(diào)控研究已經(jīng)具備條件，而這方面研究有著更廣泛的應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。因此，應(yīng)加強(qiáng)這些非模式植物激素、轉(zhuǎn)錄組、小RNA以及內(nèi)源蛋白在分生組織分化過程中的功能研究，更全面地闡明不同植物莖尖分生組織分化過程的調(diào)控機(jī)制。

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(編輯:裴阿衛(wèi))

DifferentiationandRegulationoftheShootApicalMeristem

LUWeichao,ZHAOJianguo,ZHANGLi,JINBiao*

(CollegeofHorticultureandPlantProtection,YangzhouUniversity,Yangzhou,Jiangsu225009,China)

Abstract:The shoot apical meristem (SAM), which is the tissue located at the top of a plant, can continually undergo differentiation. The SAM gives rise to all above-ground organs, such as the stems, leaves, and flowers, through cell division and differentiation. SAM development is controlled by the external environment, endogenous hormones, and molecular regulation, accordingly with phased characteristics of the SAM. Here, we summarize recent advances in our understanding of the morphological structure of the SAM and how it is affected by environmental factors, hormones, and molecular regulatory networks. We also present the research status on SAM, including unsolved problems and future research directions.

Key words:shoot apical meristem; differentiation; morphological structure; environmental factors; hormone; molecular regulation

文章編號:1000-4025(2016)05-1055-11

doi:10.7606/j.issn.1000-4025.2016.05.1055

收稿日期:2015-12-22;修改稿收到日期:2016-04-20

基金項(xiàng)目:江蘇省研究生實(shí)踐創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(SJLX15_0672);江蘇省林業(yè)三新工程(LYSX[2016]55)

作者簡介:陸維超(1991-)，男，在讀碩士研究生，主要從事植物干細(xì)胞分子生物學(xué)研究。E-mail: luweichao6@foxmail.com *通信作者:金飚，博士，教授，主要從事植物分子生物學(xué)研究。E-mail: bjin@yzu.edu.cn

中圖分類號:Q 254; Q 944.63

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A