離體培養(yǎng)基誘導(dǎo)型愈傷組織形成的分子機(jī)制

張 騰 張 偉 于振林

(華東師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 上海 200241)

1 愈傷組織概述

20世紀(jì)初，德國(guó)植物學(xué)家Haberlandt根據(jù)細(xì)胞學(xué)理論，提出高等植物細(xì)胞具有全能性的觀點(diǎn)，而后美國(guó)科學(xué)家White發(fā)明了離體培養(yǎng)愈傷組織技術(shù)，并在煙草組織培養(yǎng)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)芽的形成，從而證實(shí)Haberlandt的論點(diǎn)，同時(shí)也完善了愈傷組織的定義：高度分化的細(xì)胞或組織經(jīng)脫分化過(guò)程形成的無(wú)序薄壁細(xì)胞群[1]。

近年來(lái)，科學(xué)家根據(jù)是否存在明顯的器官?gòu)念^再生能力，將愈傷組織分為兩類(lèi)：離體培養(yǎng)基誘導(dǎo)型(CIM-callus)和傷口誘導(dǎo)型(wound-callus)。離體培養(yǎng)基誘導(dǎo)型愈傷組織指的是植物離體的外植體材料在植物激素(生長(zhǎng)素、細(xì)胞分裂素)的誘導(dǎo)下可以形成并完成繼代培養(yǎng)的一類(lèi)愈傷組織，這類(lèi)愈傷組織的形成過(guò)程與根的從頭再生過(guò)程十分相似，也會(huì)表達(dá)不定根形成過(guò)程中的標(biāo)志基因，如SCR基因、WOX5基因等。對(duì)于傷口誘導(dǎo)型愈傷組織而言，可以形成這類(lèi)愈傷組織的植物細(xì)胞種類(lèi)較多(如髓細(xì)胞、維管柱細(xì)胞、皮層細(xì)胞等)，并常含有大量的植物抗菌素和病原菌相關(guān)蛋白，參與植物的防御與修復(fù)過(guò)程。這類(lèi)愈傷組織也有可能發(fā)育成完整植株，但這主要?dú)w結(jié)于植物細(xì)胞具有潛在的全能性，其在形成過(guò)程中并不會(huì)表達(dá)不定根形成過(guò)程中的相關(guān)基因[2]。兩類(lèi)愈傷組織的形成及分化的分子信號(hào)通路是不一樣的，本文主要介紹近年來(lái)研究比較活躍的離體培養(yǎng)基誘導(dǎo)型愈傷組織形成的分子機(jī)制的研究進(jìn)展。

2 WOX基因與根的從頭再生過(guò)程

與動(dòng)物細(xì)胞不同的是，植物具有細(xì)胞、組織或器官再生，并再次形成一個(gè)完整植株的能力[3]。器官?gòu)念^再生主要指的是受傷或離體的植物器官重新再形成不定根或不定芽的過(guò)程[4]。在根從頭再生的過(guò)程中，植物細(xì)胞經(jīng)歷了兩次命運(yùn)的轉(zhuǎn)變：第一次是由原形成層細(xì)胞向根母細(xì)胞發(fā)生轉(zhuǎn)變；第二次則是由根母細(xì)胞向根原基細(xì)胞轉(zhuǎn)變，根原基細(xì)胞不斷分裂增殖最終形成不定根。

WOX(WUSCHEL-related homeobox)轉(zhuǎn)錄因子家族是植物特有的一類(lèi)同源框轉(zhuǎn)錄因子, 一般在植物細(xì)胞增殖分化較為旺盛的區(qū)域發(fā)揮重要的調(diào)控作用。其中，WOX4基因主要在原形成層及形成層中表達(dá)，可以維持維管形成層形態(tài)以及促進(jìn)形成層細(xì)胞的增殖，因而常作為原形成層細(xì)胞的標(biāo)志基因。而WOX5則是根原基細(xì)胞的標(biāo)志基因，一般位于根尖分生組織中，常與其他WOX家族基因協(xié)同維持著干細(xì)胞的穩(wěn)定性[5，6]。WOX11主要分布在根尖分生組織、根部原生木質(zhì)部細(xì)胞中，常用于根母細(xì)胞的標(biāo)記。

研究發(fā)現(xiàn)，在擬南芥葉片外植體誘導(dǎo)形成不定根的過(guò)程中，起始階段，植物的離體葉片傷口附近的WOX4基因大量表達(dá)，該處原形成層細(xì)胞大量增殖；一段時(shí)間后，WOX11基因在之前的原形成層部位開(kāi)始大量表達(dá)，原形成層細(xì)胞開(kāi)始分化為根母細(xì)胞，發(fā)生第一次細(xì)胞命運(yùn)轉(zhuǎn)變；同時(shí)WOX5開(kāi)始大量表達(dá)，之前的根母細(xì)胞已經(jīng)分化為根原基細(xì)胞，完成了第二次的細(xì)胞命運(yùn)轉(zhuǎn)變[7]。

此外，在根的從頭再生過(guò)程中，WOX11是不定根生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵調(diào)節(jié)基因。在水稻中的研究表明，WOX11基因的低表達(dá)或缺失突變體都會(huì)使不定根的數(shù)目減少并且減緩其生長(zhǎng)速率；相反，WOX11的過(guò)表達(dá)則會(huì)使不定根提早產(chǎn)生，并且相應(yīng)的生物量也顯著增加[8]。

3 WOX基因與離體培養(yǎng)基誘導(dǎo)型愈傷組織的形成過(guò)程

3.1 與根的從頭再生過(guò)程十分相似 愈傷組織一直被認(rèn)為是植物器官外植體脫分化后形成的具有分化潛能的無(wú)序細(xì)胞團(tuán)。然而，對(duì)于離體培養(yǎng)基誘導(dǎo)型愈傷組織而言，其結(jié)構(gòu)并非以往研究認(rèn)為的無(wú)序雜亂狀態(tài)。例如，在對(duì)擬南芥芽或根的外植體愈傷組織進(jìn)行離體培養(yǎng)基誘導(dǎo)過(guò)程中，這些愈傷組織來(lái)源于木質(zhì)部附近的中柱鞘細(xì)胞，與不定根的結(jié)構(gòu)十分相似。相關(guān)研究進(jìn)一步在轉(zhuǎn)錄水平上證明：這種類(lèi)型的愈傷組織在形成過(guò)程中，會(huì)有與不定根形成過(guò)程中相同的標(biāo)志基因表達(dá)[9]。

徐麟等利用擬南芥葉外植體，證實(shí)在離體培養(yǎng)基誘導(dǎo)型愈傷組織形成過(guò)程中，WOX4、WOX11、WOX5發(fā)生了時(shí)空特異性表達(dá)，而這一過(guò)程與根的從頭再生過(guò)程十分相似[7]。這一結(jié)果也證明愈傷組織是通過(guò)根原基細(xì)胞不斷分裂增殖、規(guī)則排列形成的。由此可見(jiàn)，WOX家族基因在離體培養(yǎng)基誘導(dǎo)型愈傷組織形成過(guò)程中起到類(lèi)似開(kāi)關(guān)一樣的調(diào)控作用。

3.2 轉(zhuǎn)分化的作用 由上可知：離體培養(yǎng)基誘導(dǎo)型愈傷組織的形成過(guò)程可能與根的從頭再生分享著相似的分子信號(hào)通路，而并非一概而論的脫分化過(guò)程。所謂脫分化，即細(xì)胞重新進(jìn)入細(xì)胞周期，由已經(jīng)高度分化的狀態(tài)退回到干細(xì)胞或者干細(xì)胞樣細(xì)胞狀態(tài)(可以長(zhǎng)期自我更新并且可以繼續(xù)分化成一種或多種細(xì)胞類(lèi)型)[10]。離體培養(yǎng)基誘導(dǎo)型愈傷組織經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明其細(xì)胞狀態(tài)屬于根原基細(xì)胞，而非干細(xì)胞，即原本高度分化的成熟細(xì)胞，轉(zhuǎn)變其正常的細(xì)胞命運(yùn)，向其他分化或未分化方向的細(xì)胞轉(zhuǎn)化，而非由成熟細(xì)胞直接脫分化成為干細(xì)胞或者干細(xì)胞樣的細(xì)胞狀態(tài)。因此，用“轉(zhuǎn)分化”可以更貼切地體現(xiàn)離體培養(yǎng)基誘導(dǎo)型愈傷組織的形成過(guò)程。

3.3 復(fù)雜的分子網(wǎng)絡(luò) 無(wú)論是根從頭再生過(guò)程，還是愈傷組織形成過(guò)程，傷口信號(hào)都是整個(gè)過(guò)程的起點(diǎn)[11]。傷口信號(hào)可以通過(guò)一系列分子通路招募大量的生長(zhǎng)素和細(xì)胞分裂素(具體的分子信號(hào)通路未知)[12]。在這個(gè)過(guò)程中，生長(zhǎng)素發(fā)揮了重要作用。在植物體內(nèi)，生長(zhǎng)素受AUX/IAA和ARF蛋白家族調(diào)控，促進(jìn)AUX/IAA蛋白降解，進(jìn)而激活生長(zhǎng)素響應(yīng)因子ARF7/19，啟動(dòng)下游的WOX11—LBD16/17/18/29—WOX5信號(hào)通路，最終形成愈傷組織或根原基[1]。除了植物激素誘導(dǎo)的上述信號(hào)通路外，細(xì)胞周期調(diào)控的相關(guān)基因(CDK、CYC等)、愈傷組織形成的負(fù)調(diào)控基因(例如，細(xì)胞壁形成調(diào)控基因等)都會(huì)參與其中，共同構(gòu)成復(fù)雜的愈傷組織形成的分子網(wǎng)絡(luò)。

4 展望

離體培養(yǎng)基誘導(dǎo)型愈傷組織研究的結(jié)果，一方面有助于新的基因標(biāo)記的開(kāi)發(fā)，可以通過(guò)檢測(cè)WOX11的表達(dá)情況來(lái)確定愈傷組織形成情況；另一方面有利于植物遺傳體系的建立，對(duì)植物誘導(dǎo)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，從而幫助確定愈傷組織的最佳活力，為瀕危植物的研究與保護(hù)提供幫助。植物愈傷組織與根原基細(xì)胞的關(guān)系的揭示，也為愈傷組織形成的分子機(jī)制提供一個(gè)新的研究思路。