從模式植物到作物的“種子”細胞
——首屆植物干細胞與再生國際研討會概述

桂樂月，姚 立，陳春麗

(華中農業(yè)大學 生命科學技術學院 湖北洪山實驗室，武漢 430070)

由華中農業(yè)大學主辦的“第一屆植物干細胞與再生國際研討會”于2022年5月2日至3日線上舉行。華中農業(yè)大學生命科學技術學院院長熊立仲與沙特阿拉伯阿卜杜拉國王科技大學(KAUST)Ikram Blilou教授在開幕辭中指出，干細胞與再生是科學界最具挑戰(zhàn)性的前沿問題之一，位于Science公布的最重要的25個科學問題中，包括“什么控制著器官再生”“單個體細胞如何長成完整植株”等。植物干細胞作為“種子”細胞的一種，對解決無性繁殖這一種業(yè)發(fā)展的關鍵技術有著重要的科學意義。

來自美國、英國、新西蘭、墨西哥、沙特阿拉伯、日本和中國等7個國家的14位科學家，以早期陸生模式植物小立碗蘚(Physcomitriumpatens)、雙子葉模式植物擬南芥(Arabidopsisthaliana)、糧食作物水稻(Oryzasativa)與小麥(Triticumaestivum)、園藝作物蘋果(Malusdomestica)與來檬(Citrus×aurantiifolia)以及藥用植物人參(Panaxginsen)為研究對象，報告了植物干細胞與再生領域的最新研究進展。

1 早期陸生模式植物小立碗蘚干細胞與再生研究報告

陸生植物細胞有較高的全能性，其中苔蘚植物小立碗蘚因其簡單的生命周期與較高的干細胞全能性成為植物干細胞研究的模式植物。小立碗蘚葉片細胞能被機械損傷誘導重編程為干細胞。日本基礎生物學研究所石川雅樹博士介紹了小立碗蘚中一個包含STEMIN、PpCSP、PpWOX13L、ATG、CYCD;1、CDKA、H3K27me3、EXPB4與自噬作用的干細胞形成調控網絡[1]。STEMIN1是從小立碗蘚中鑒定出來的一個重編程因子，能應答損傷信號，誘導體細胞重編程產生干細胞。STEMIN1在細胞分裂前降低其直接靶向基因的H3K27me3水平，可能作為一個平臺將組蛋白修飾元件招募到特定位點，從而直接或間接調控下游基因的染色體狀態(tài)，激活靶基因的表達[2]。PpCSPs 增強細胞重編程能力，并可作為RNA結合蛋白發(fā)揮作用，調節(jié)mRNA在細胞質基質中的成熟、穩(wěn)定性或翻譯，與哺乳動物的Lin28功能類似[3]。STEMIN和PpCSP基因可互相誘導，各自獨立地被損傷激活。自噬被機械損傷激活，不僅在細胞重編程中發(fā)揮作用，也通過吞噬分化相關元件讓葉細胞更宜于重編程[4]。

除了機械損傷，DNA損傷也可誘導重編程。華中農業(yè)大學陳春麗教授介紹了小立碗蘚中DNA損傷是體細胞重編程的一種新型誘導因子[5]。DNA損傷試劑喜樹堿、Zeocin和博來霉素短暫處理可以誘導小立碗蘚葉細胞經歷不對稱分裂重編程為綠絲體頂端干細胞，獲得產生新的完整莖葉體能力。這些試劑引起的單鏈DNA損傷即可引起體細胞重編程，且不出現細胞死亡。DNA斷裂誘導的重編程依賴于ATR和STEMINs，且ATR位于STEMIN1的上游[5]。

北海道大學藤田知道教授以小立碗蘚原生質體為試驗材料，研究不對稱分裂(asymmetric cell division，ACD)、對稱分裂(symmetric cell division,SCD)及其過程中的動力學。GRAS家族轉錄因子pph16o21對ACD細胞極性和細胞壁完整性等特征都有影響，對ACD過程中頂端干細胞形成的空泡形態(tài)學和定位調控尤其重要。其功能可能是由水通道蛋白(AQP)中的幾個成員，如PIP1;5和PIP2;2所介導。非生物脅迫和ABA處理可誘導原絲體細胞轉化為“抗脅迫細胞”芽孢(brood cells)。脫落酸(ABA)可迅速抑制16o21轉錄和胞間通信，通過使細胞分裂模式從ACD到SCD改變，誘導普通原絲體到抗逆干細胞的命運轉變。ABA信號參與干細胞調控和胞間通信的關鍵步驟，可能集成在更多重要的發(fā)育階段。這種聯系應該是陸生植物在嚴酷陸地環(huán)境求生的基礎。鑒于核心 ABA 信號通路最早在陸地植物的最后一個共同祖先中建立，ABA 信號與調節(jié)干細胞動力學和發(fā)育程序的聯系，可能是陸地植物成功進化的關鍵。

2 雙子葉模式植物擬南芥干細胞與再生研究報告

擬南芥因其基因組較小，生長周期短、生長條件易于創(chuàng)建和遺傳轉化簡單等特點一直以來都是植物學基礎理論研究的模式植物。本次會議有6位報告人介紹各自研究團隊在擬南芥中干細胞與再生研究的最新進展。

細胞多能性是生物學的基礎。人類很早就知道已經分化的體細胞可能重新獲得多能性，但其潛在機制尚不清楚。中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心徐麟研究員通過對擬南芥組織培養(yǎng)中愈傷組織再生相關的4個問題的解答，對當前擬南芥愈傷組織再生研究做了簡單總結。第一個問題討論了可以形成愈傷組織的組織或細胞類型。報告認為有形成根器官能力的維管干細胞,可以被誘導產生愈傷組織。第二個問題是什么是愈傷組織。愈傷組織細胞依據其表達模式可以分為數類，成熟愈傷中結構類似根尖分生組織的細胞龕擁有再生能力,并且成熟愈傷組織中層由與根尖靜止中心(quiescent center,QC)表達模式相近的細胞組成[6]。第三個問題是為什么愈傷組織具有再生多種器官的能力？依據其團隊的研究,他認為，成熟愈傷組織的中間層細胞具有干細胞活性、積累生長素的能力和對細胞分裂素的超敏反應,由此突破了在普通體細胞中生長素與細胞分裂素相互拮抗的局面,從而引起組織器官的再生。最后，徐麟研究員提到他對植物干細胞多能性進化模式的見解，認為在植物進化過程中，干細胞多能性這一特性的保留是基于Auxin-PLT-WOX模型的保守性[7]。

現如今，組織培養(yǎng)已經是植物研究與生產的重要手段。在許多植物物種中，分離葉肉原生質體再生整個植株的方式已經被廣泛應用在植物的遺傳轉化中。促進原生質體的再生效率以及認清原生質體再生的分子機制一直以來是植物生物工程面臨的重要問題。中國科學院大學汪穎博士介紹了其研究團隊鑒定的兩個異位激活促進原生質體再生的轉錄因子WUS和DRN，同時還提出了葉肉原生質體獲得全能性的模型。即原生質體的分離導致全基因組染色質可及性的增加，從而促進基因表達的隨機激活，這種轉錄組混亂與細胞間基因表達變異的增加創(chuàng)造了一個細胞水平的進化驅動因素，最終具備再生基因表達模式的原生質體細胞在進化選擇中勝出[8]。

根尖干細胞因其結構簡單，一直是植物干細胞研究中的良好模型。墨西哥生物多樣性基因組學國家實驗室的Luis Alfredo Cruz Ramírez博士講述了擬南芥根尖干細胞龕(root stem cell niche,RSCN)維持所需要的兩個主要的調控回路。第一個是RBR蛋白與轉錄因子SCR相互作用，重新塑造皮質-內皮層初始(cortex-endodermis initial,CEI)細胞和根尖QC細胞的狀態(tài)，該回路還有SHR和CYCD6兩個基因的參與[9]。第二個回路是Auxin-AIL/PLT通路。ANT/PLT基因是生長素誘導的轉錄因子，主要在分裂組織中表達，發(fā)揮著RSCN維持、胚胎發(fā)育和側向器官形成等重要作用。對這一通路的研究顯示生長素反應因子(ARFs)在AIL/PLT基因的上游介導該信號通路。此外，AIL/PLT轉錄因子調控根和莖部生長素生物合成和運輸基因的轉錄，從而建立Auxin-AIL/PLT正反饋回路[10]。之后，他還簡單介紹了在進化發(fā)育模式植物地錢中對RBR-SCR-CHR-CYCD回路以及ANT/PLT-Auxin調控通路的研究進展。根的生長依賴于RSCN的維持和分生組織中細胞的持續(xù)分裂。多年來，美國佛羅里達州立大學終身教授崔洪昌博士一直致力于擬南芥根尖干細胞更新與活性維持的新調控因子的鑒定。他的研究團隊通過比較分析擬南芥根中不同細胞類型的轉錄組來尋找特異性調控RSCN的因子，其中很多被鑒定出的基因功能仍不清楚。之前對TGA家族的研究都集中于生物和非生物脅迫反應，近期，他們對TGA家族因子在這一過程中的功能進行挖掘，研究顯示，TGA家族因子在擬南芥根尖干細胞龕的維持、細胞增殖和伸長中具有廣泛作用，但它們使用不同的機制調控根尖的氧化還原穩(wěn)態(tài)。之后他講述了自己實驗室通過對scr突變體進行遺傳篩選，并對獲得的一個突變體進行鑒定的研究工作。這項工作發(fā)現scr促進了多個端粒保護因子的表達，從而通過確保端粒的完整性來維持干細胞活性[11]。

KAUST大學Ikram Blilou教授研究了控制植物根部蛋白質運動和不對稱細胞分裂的調控網絡，通過體內細胞分辨率級別的圖譜定位蛋白質復合物，并揭示它們獨特的空間分布如何在不同環(huán)境條件下介導特定基因表達和細胞命運決定[12-15]。Blilou教授分享了其實驗室近期對胚胎缺陷基因1579(EMB1579)的研究進展。該基因由于其突變體在根部表現出的特殊表型又被稱為鹽脅迫培養(yǎng)基短根基因(RSA1)。研究顯示，EMB1579編碼一個包含鈣離子結合域的核蛋白，通過液-液相分離的方式調控基因轉錄和mRNA剪接并調節(jié)根生長。由此，EMB1579通過調控WOX、PLT、RBR等干細胞調節(jié)因子來參與對PLT-SCR-SHR模型的調節(jié)。同時，EMB1579還是JAZ蛋白復合體的組分之一，參與損傷響應。此外，Blilou教授還介紹了他們開發(fā)的植物根系表型活細胞成像平臺，推動了植物表型研究效率的提升[16]。

光刺激介導植物維管組織的形成與發(fā)育。植物萌發(fā)后，光啟動植物光合作用從而介導光自養(yǎng)生長的建成。因此，光信號傳導和維管發(fā)育之間必定存在聯系，但連接這兩者之間的分子機制仍有待突破。英國杜倫大學生物學院Miguel de-Lucas博士研究發(fā)現，由CLE41和CLE44編碼的TDIF多肽可以激活PXY/TDR受體，從而維持形成層細胞的增殖能力，抑制其分化；TDIF-PXY/TDR信號通路是精確調控形成層分生組織中細胞增殖和分化平衡的核心；黑暗介導的PIFs積累對CLE44的誘導和維持維管的未分化狀態(tài)是必需的；在光照環(huán)境下，光感受器使PIF失活，從而導致CLE44表達量下降，隨后TDIF減少，PXY/TDR信號通路減少，便誘導木質部的分化，以滿足與光自養(yǎng)發(fā)育相關的水分需求。他們的研究揭示了光信號轉導介導植物維管發(fā)育分子機制。

3 植物干細胞與再生在經濟作物、糧食作物與藥用植物中的應用研究報告

有關植物科學干細胞的基礎研究為作物遺傳改良提供了策略，大大提升了不同作物的生產與品種改良效率。同時，在不同物種中開展干細胞研究也通過物種多樣性發(fā)掘出更多潛在的干細胞維持與命運決定的調控通路。

植物的遺傳轉化與再生已經被廣泛應用于不同作物的品種優(yōu)化。新西蘭植物食品研究所高級科學家姚家龍博士就是利用這一手段獲得了高轉化效率的蘋果株系。BABYBOOM(BBM)是AP2家族的成員，其異位表達已被證明可以促進草本植物的轉化和再生。姚家龍博士通過異位表達蘋果MdBBM1基因顯著促進蘋果植株的再生。研究表明MdBBM1異位表達增強了細胞分裂。轉錄組分析結果也顯示，MdBBM1轉基因植株中與生長素、細胞分裂素和油菜素內酯等植物激素信號通路相關的細胞分裂激活因子轉錄水平增加，阻遏因子的轉錄則降低。對MdBBM1轉基因株系再次進行遺傳轉化，轉入除草劑抗性基因，結果顯示有3個轉基因株系的遺傳轉化效率提升了十倍以上。該研究結果為克服蘋果和其他樹木生產轉基因植物的障礙提供了解決方案[17]。通過遺傳轉化獲得高轉化效率植株的方式在小麥中也被應用。中國農業(yè)科學院作物科學研究所葉興國教授團隊2014年從日本煙草公司(Japan Tobacco International，JPI)學習了用未成熟胚胎轉化小麥的技術。但該技術依賴于基因型，限制了目前通過轉基因整合和基因組編輯的方法改良小麥的能力。葉興國教授團隊發(fā)現，與其他方法相比，小麥基因TaWOX5的過表達能夠顯著提高轉化效率，且基因型依賴性較低。TaWOX5在小麥愈傷組織中的表達并不抑制莖部的分化和根的發(fā)育。此外，成功轉化的轉基因小麥植株可以由可見表型相對更寬的旗葉清楚識別。TaWOX5的應用改進了小麥未成熟胚的轉化和再生體系。利用TaWOX5提高轉化效率的方法在一粒小麥(Triticummonococcum)、小黑麥和黑麥中也顯示出良好的效果[18]。

干細胞活性的維持對人參根器官的長壽至關重要。中國中醫(yī)科學院中藥資源中心的劉娟博士介紹了她對人參再生與長壽機制的研究。野生人參中人參皂苷的含量高于栽培人參，且可在自然條件下存活數十年，受到生物脅迫時其容易再生不定根。人參皂苷處理實驗表明，不同濃度人參皂苷可以影響人參不定根分枝和細胞增殖。PgWOXs隨皂苷處理變化，從人參不定根中鑒定出的蛋白PgCLE45也受到PgWOX11的直接調控。PgWOX11在不定根中誘導PgCLE45的表達，而PgCLE45抑制PgWOX11的表達。人參皂苷中發(fā)現的PgCLE45-PgWOX11調控環(huán)是調控不定根分枝的一種新的潛在機制[19]。

木本植物的地上結構很大程度上依賴于莖分生組織的細胞活性。柑橘屬植物的腋生分生組織可以發(fā)育為枝條、刺和花，柑橘腋生分生組織的命運決定影響著柑橘的產量。近些年，華中農業(yè)大學張飛教授的研究表明，柑橘中枝條分生組織、刺分生組織和花分生組織的關鍵調控因子在各自的表達域上相互拮抗。他分析了柑橘屬刺分生組織與枝條分生組織之間身份轉換的CEN-TI1-WUS模型：轉錄因子WUS是維持枝條分生組織的重要因子，TI1通過抑制WUS在腋生分生組織的表達終止枝條的生長，從而形成刺[20]；CEN基因則可以通過抑制TI1將腋生分生組織的細胞命運轉變?yōu)橹l分生組織[21]。此外，過表達FT轉錄因子可以部分將自分生組織誘導為花分生組織。顯然，這些關鍵調控因子的基因調控導致了莖部身份的轉換。張飛教授還提出是這些因素的拮抗作用介導了腋生分生組織細胞命運的決定模式，從而形成柑橘樹的分枝結構。

表觀遺傳修飾在莖尖干細胞活性維持與分化中起著重要作用，華中農業(yè)大學王文韜博士介紹了他有關組蛋白甲基化修飾調控水稻莖尖發(fā)育的研究。在莖尖分生組織中，KNOX/BELL轉錄因子是分生組織細胞多能性和分化的關鍵調控因子。PRC2介導H3K27me3組蛋白修飾。王文韜博士發(fā)現PACP在正向調控PRC2核心成分EMF2b的染色體結合能力的同時，可以與水稻KNOX1發(fā)生互作。KNOX/BELL轉錄因子靶向結合到基因上后，PACP介導PRC2在該位點的招募并穩(wěn)定結合，從而維持H3K27me3修飾和下游基因的轉錄抑制[22]。該研究為PRC2對H3K27me3的維持以及KNOX/BELL蛋白調控莖尖分生組織發(fā)育的機制提供了新見解。

4 結語

在基礎研究領域，會議報道了包含干細胞因子、組蛋白修飾與自噬作用的干細胞形成調控網絡；DNA損傷誘導干細胞形成；ABA信號通路與干細胞命運決定；組織培養(yǎng)細胞譜系與原生質體再生的隨機選擇模型；RSCN干細胞活性維持的調控回路；不定根分支調控機制；光信號轉導介導植物維管發(fā)育分子機制；柑橘腋分生組織細胞命運決定調控機制；表觀遺傳修飾調控水稻莖尖干細胞活性維持與分化的分子機制。在多個方面為干細胞再生用于植物生產與應用提供理論支持。在應用上，報道了再生相關基因提高蘋果、小麥等轉基因植株的轉化效率，提高柑橘愈傷組織的生胚能力的技術性突破。展現了植物干細胞與再生研究對植物生產與應用的促進作用。

來自14個國家和地區(qū)的300余名學者通過線上參加了本次會議。會議期間，參會者與報告專家討論熱烈，報告與提問精彩紛呈。墨西哥生物多樣性基因組學國家實驗室Luis Alfredo Cruz Ramirez教授在閉幕辭中指出，本次研討會推動了植物干細胞與再生領域的發(fā)展，在后疫情時代為國際同行們開展深度交流與合作提供了寶貴機會。

該研討會由華中農業(yè)大學生命科學技術學院陳春麗教授在全球范圍內首次發(fā)起，會議期間成立了植物干細胞國際組委會，專家分別來自中國、美國、英國、日本、沙特與墨西哥。組委員確定了2023年植物干細胞研究國際研討會將在沙特阿卜杜拉國王科技大學舉行，后期將持續(xù)推動國內外植物干細胞研究群體的溝通和交流。