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揭示植物干细胞发育调控关键机制
日期:2020-09-22 作者:未知 来源:山东农业大学 点击:
 调控植物茎端分生组织发育的 WUSCHEL(WUS)、SHOOTMERISTEMLESS(STM)
和 CLAVATA3(CLV3)三个关键因子已被国内外科学家发现 20 余年,学术界对 W
US 和 STM 蛋白调节 CLV3 转录和干细胞活性维持的关键作用有一定的认识,但是
对于它们如何相互作用以调节干细胞命运的调控机制仍不十分清楚。
    山东农业大学张宪省教授科研团队历时近十年,首次揭示了 WUS、STM、CLV三个关键因子之间精细的相互作用模式,解析了 WUS 和 STM 介导干细胞形成和维持调控途径的交叉和协同,为进一步分析植物茎端分生组织干细胞活性的调控机制提供了新的思路。该研究也是首次从分子水平解析了茎端干细胞激活因子和增效因子相互依存的作用模式,解决了困扰植物学家多年的关于植物干细胞调控的诸多疑问,填补了近 20 年来干细胞调控领域关键因子之间相互关系的空白。
    北京时间 8 月 25 日,国际知名学术期刊《美国科学院院报》(PNAS)在线发表了这一重要研究成果。
    植物干细胞是一群具有自我更新能力并能够不断产生各种分化细胞的原始细胞,主要位于根尖和茎尖的分生组织以及形成层,在植物整个生命周期中保持其多能状态,并控制着植物的生长和发育。植物茎端干细胞决定了茎、叶、花、果实等地上部分器官的分化和发育,是所有地上部分器官细胞的来源,研究其调控机理对于解析植物器官的分化有重要意义。
    20 年来,利用模式植物拟南芥,科研人员经过长期的研究发现,WUS 编码组织中心的关键调控因子,能够激活干细胞特征基因 CLV3 在组织中心上方的干细胞中表达,并赋予它们干细胞的特征。STM 作为干细胞的另一个调控因子,与 WUS 共同过量表达会使植物的茎端干细胞数量显著增加。
    据了解,WUS 蛋白早在 1998 年被首次报道,作为调控植物茎端干细胞的最关键调控因子,其功能和调控机制的研究一直是植物干细胞领域的热点。2002年以来,关于 WUS 如何与其他因子相互作用形成调控网络,共同激活和维持干细胞活性的相关研究越来越少。为了进一步解析 WUS 介导的调控途径及调控机理,张宪省教授科研团队于 2011 年开始筛选与 WUS 相互作用的直接互作蛋白,利用当时最新的 CO-IP 结合蛋白质谱筛选互作蛋白的实验技术,希望能够鉴定出新的WUS 相互作用因子及其介导的调控茎端干细胞活性的遗传途径和分子机制。经过多年的摸索,团队优化了多种精细获取茎端分生组织细胞和提取纯化 WUS 蛋白的方法,获得较稳定的带有标记的 WUS 蛋白,终于筛选出了几十个可能与 WUS 蛋白相互作用的因子,并在其中鉴定到了 STM 蛋白。
    而 STM 蛋白 1996 年最早被报道,也是干细胞的关键激活与维持因子,其功能主要是维持干细胞的未分化状态,抑制其分化产生各种器官的细胞。多数研究认为 STM 介导的干细胞调控途径与 WUS 介导的途径相互独立或者存在互补作用,但从未有报道说 STM 和 WUS 有直接的相互作用。根据初步的相互作用实验结果提供的线索,团队利用各种遗传和生化试验,证实了 STM 作为 WUS 互作蛋白起作用的机制。
    论文第一作者苏英华教授介绍,本研究证实了 WUS 蛋白能够与 STM 直接相互作用形成异源二聚体,共同结合到 CLV3 的启动子上。STM 通过与 WUS 相互作用形成复合体,进一步增强 WUS 与 CLV3 启动子的结合强度,并激活其表达,从而增强茎端干细胞的活性。此外,STM 的表达还反过来依赖于 WUS,WUS 可以直接激活其互作因子 STM 的表达,以保证 STM 作为干细胞增效因子的功能。
    团队负责人、通讯作者张宪省教授向记者介绍,植物干细胞研究不仅是植物发育生物学核心研究命题,也是作物分子遗传改良和植物生物技术产业化的重要基础。本研究中的三个关键因子之间精细的相互作用模式对实现茎端分生组织内干细胞的动态平衡具有特殊的意义,也为茎端干细胞的发育调控提供了一个新的理论,即多能性干细胞调控因子在茎端分生组织中形成一个调控干细胞稳态的精细调节单位,从分子水平解析了激活因子和增效因子相互依存的作用,为植物干细胞复杂的调控机制增添了新的内容。
    该成果深入揭示植物干细胞分子调控的机制,从根本上阐明植物的再生机制,即通过提高作物茎端干细胞激活因子的表达水平,增强茎端干细胞的活性,增加茎端分生组织干细胞的数目,能够增加作物营养器官的分化和发育,增加花器官的分化数量,形成更多的分枝,分化产生更多的籽粒。成果有望运用于玉米、小麦等大田作物,对于加速作物快繁、提高作物再生能力、显著提高作物的产量等方面有重要意义,同时也将推动农业生物技术产业化发展。
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