寫在前面

? ? 怎么說呢，這個系列就是把自己的homework拿出來曬一曬，也就是圖一樂丟人現(xiàn)眼一下，因為本人能力和知識范圍有限，難免會有錯誤，請諒解一下，也就是僅供參考。引文都有標(biāo)注，如果有侵權(quán)的可以聯(lián)系我。歡迎各位大佬多交流，提問題、指錯誤。要是能關(guān)注一波那就更好了??

淺述植物莖頂端分生組織發(fā)育的調(diào)控機(jī)制

植物莖頂端分生組織（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(xì)胞（SC）通過分裂和分化形成了植物地上部分的各個器官。其發(fā)育和維持具有極其復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和信號傳導(dǎo)途徑使干細(xì)胞維持著細(xì)胞分裂和分化的平衡。本文選取部分重要調(diào)控通路進(jìn)行簡要介紹。

1 基因調(diào)控通路

植物頂端分生組織的正常形成需要許多相關(guān)基因的參與，其中起決定性作用的是WUS /CLV3 反饋抑制途徑。

1.1?WUS 及其調(diào)控基因

擬南芥（Arabidopsis thaliana）中的WUS（WUSCHEL）基因在植物的16細(xì)胞期開始表達(dá)，并在SAM中的中心區(qū)L3層和更下層的10個細(xì)胞表達(dá)。WUS編碼一個轉(zhuǎn)錄因子，其功能喪失會導(dǎo)致干細(xì)胞在形成器官原基的過程中消失，從而導(dǎo)致SAM活動過早停止。另一方面，WUS過度表達(dá)會導(dǎo)致干細(xì)胞過多，從而保持了SAM中干細(xì)胞數(shù)量的平衡，確保了干細(xì)胞區(qū)域細(xì)胞分裂和分化之間的穩(wěn)定。最近的研究結(jié)果已經(jīng)證明，WUS基因表達(dá)產(chǎn)生的信號可以通過運輸進(jìn)入干細(xì)胞中并發(fā)揮作用。[1-2]

CLVATA3（CLV3）基因在SAM干細(xì)胞區(qū)域特異表達(dá)，并且其表達(dá)區(qū)域與WUS在L3層中的表達(dá)區(qū)域重合。當(dāng)CLV3缺失時，導(dǎo)致WUS表達(dá)區(qū)域擴(kuò)大，從而導(dǎo)致SAM膨大。而當(dāng)CLV3過度表達(dá)時，會導(dǎo)致SAM活動過早停止，其表型類似于WUS缺失的植株。這表明，SAM中的組織中心標(biāo)記基因WUS能夠促進(jìn)CLV3的表達(dá)，而CLV3則可以抑制WUS的表達(dá)。這兩者形成了一個負(fù)反饋調(diào)節(jié)環(huán)，成為SAM中干細(xì)胞區(qū)域基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的中心環(huán)節(jié)（見Fig1）。

在這條調(diào)控通路中，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(dá)發(fā)揮抑制作用，CLV1、CLV2、CRN組成的大量信號通路保證了CLV3信號的傳遞效率。WUS表達(dá)形成的信號因子轉(zhuǎn)運至干細(xì)胞并在干細(xì)胞中梯度分布而維持干細(xì)胞活性，內(nèi)周邊區(qū)的細(xì)胞能接受這種信號因子發(fā)生脫分化回到干細(xì)胞狀態(tài)，從而維持干細(xì)胞數(shù)量的穩(wěn)定。[2]

此外，WUS的啟動子還受到染色體重塑因子BARD1和SYD的調(diào)控。WUS表達(dá)的激活受到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(jìn)DNA模板形成轉(zhuǎn)錄結(jié)構(gòu)而啟動轉(zhuǎn)錄，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(dá)，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(dá)。[1]

1.2 KNOX pathway

SHOOT MERISTEMLESS(STM）也是在SAM干細(xì)胞維持中發(fā)揮重要功能的轉(zhuǎn)錄因子，編碼ClassI KNOX(knotted1－like homeobox）家族的蛋白。STM在分生組織的各個部位表達(dá)，發(fā)揮抑制細(xì)胞分化的作用

SAM中STM和WUS的作用互補(bǔ)：STM阻止細(xì)胞分化，WUS使一部分細(xì)胞特化為干細(xì)胞。STM和WUS的共同作用保持著SAM中干細(xì)胞增殖和器官原基形成的平衡，是維持SAM正?；顒拥闹匾ＷC。同時WUS蛋白也能夠與STM直接相互作用形成異源二聚體，共同結(jié)合到下游基因CLV3的啟動子上。該二聚體能進(jìn)一步增強(qiáng)與CLV3啟動子的結(jié)合強(qiáng)度，并激活其表達(dá)，從而增強(qiáng)莖端干細(xì)胞的活性。（見Fig 2）[2][4]

2 表觀調(diào)控

SAM發(fā)育相關(guān)基因的表觀遺傳學(xué)變化對SAM的發(fā)育和維持有巨大的作用。在擬南芥和水稻的莖尖分生組織（SAM）中檢測到H3K27me3分布得整體差異，研究發(fā)現(xiàn)WUS相關(guān)基因WOX11和H3K27me3去甲基化酶JMJ705相互作用，共同控制莖尖生長，共同調(diào)控莖尖分生組織特征、葉綠體生物發(fā)生和能量代謝等一系列基因的表達(dá)。[5]

同時在水稻中，發(fā)現(xiàn)敲低PRC2基因會導(dǎo)致營養(yǎng)和生殖頂端分生組織發(fā)育缺陷。研究表明轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子PRC2及其相關(guān)蛋白通過維持H3K27me3會抑制分生組織的KNOX1基因、分生組織干細(xì)胞維持基因WUSCHEL (WUS）以及根干細(xì)胞和分生組織標(biāo)記基因WOX5的表達(dá)，從而參與SAM的建立和維持。[6]

3 激素調(diào)控通路

在SAM的發(fā)育過程中，多種植物激素在其發(fā)揮調(diào)控作用，各激素之間的平衡共同為SAM提供了一個良好的生長環(huán)境。

3.1 生長素

生長素可以促進(jìn)莖尖細(xì)胞分化，生長素響應(yīng)因子MP和相關(guān)的NON-PHOTOTROPIC HYPOCOTYL 4 (NPH4/ARF7)對于依賴于生長素的胚胎發(fā)育模式的形成很重要。這兩個基因雙突變體的胚胎不能產(chǎn)生子葉。PIN介導(dǎo)的生長素運輸?shù)娜笔蛔凅w很相似。PIN引導(dǎo)生長素流向與頂端分生組織側(cè)面相接的區(qū)域，而中心區(qū)則相對缺乏生長素。同時在生長素缺失的頂端中心區(qū)MP的表達(dá)相對較弱，而頂端分生組織側(cè)面則更強(qiáng)。研究發(fā)現(xiàn)側(cè)邊器官的生長素轉(zhuǎn)運可以通過生長素轉(zhuǎn)運開關(guān)抑制SAM的生長素轉(zhuǎn)運，從而維持SAM生長素的穩(wěn)態(tài)和SAM的大小。此外，WUS基因也能影響生長素調(diào)控通路，研究表明WUS通過變阻性控制生長素信號通路和反應(yīng)途徑位點的組蛋白乙?；瘜?dǎo)致SAM對生長素分化作用的抗性。[2、7-8]

3.2 赤霉素

SAM中周圍區(qū)域具有高水平的生長素和赤霉素（GA)，研究發(fā)現(xiàn)SAM中的KNOX轉(zhuǎn)錄因子家族基因發(fā)揮促進(jìn)細(xì)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(jìn)細(xì)胞分裂和阻止細(xì)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(jìn)葉原基基部GA2氧化酶的表達(dá)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(xì)胞分化。[1]

3.3 細(xì)胞分裂素

細(xì)胞分裂素在維持植物頂端分生組織中也起重要作用，細(xì)胞分裂素信號可以促進(jìn)A型反應(yīng)調(diào)節(jié)因子ARABI基因的轉(zhuǎn)錄，二者之間形成一個負(fù)反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)。WUS直接抑制細(xì)胞分裂素應(yīng)答調(diào)控因子ARR7在SAM中的表達(dá)，以一種非常精確的方式控制細(xì)胞分裂，在頂端分生組織區(qū)域，ARR7和ARR15的表達(dá)受到細(xì)胞分裂素的誘導(dǎo)，受到生長素的抑制。[1-2]

3.4 乙烯

有研究發(fā)現(xiàn)，乙烯信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子EIN3及其同源基因，在干細(xì)胞微環(huán)境中直接激活脅迫轉(zhuǎn)錄因子AGL22的表達(dá)，而AGL22則通過直接抑制CLV1/CLV2，維持了干細(xì)胞重要調(diào)控基因WUS的表達(dá)（見Fig3）。[9]

4 micro RNA

在擬南芥莖尖分生組織中，ARGONAUTE蛋白AGO1和ZLL/AGO10結(jié)合miR165/166，調(diào)節(jié)HDZIP III基因的轉(zhuǎn)錄因子的mrna，這對維持干細(xì)胞至關(guān)重要。HD-ZIP III轉(zhuǎn)錄因子的錯表達(dá)導(dǎo)致多向性發(fā)育缺陷。AGO10的突變導(dǎo)致HD-ZIP III轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控異常，導(dǎo)致部分幼苗頂端出現(xiàn)針狀結(jié)構(gòu)，分生組織停滯。[1]

5 Redox control

活性氧（ROS）是植物有氧代謝的副產(chǎn)物，在擬南芥莖尖分生組織（SAM）中，干細(xì)胞中O2－的富集激活WUSCHEL基因以維持干細(xì)胞活性，而外周區(qū)（PZ) H2O2的積累則促進(jìn)細(xì)胞分化。此外，H2O2負(fù)向調(diào)控干細(xì)胞O2－的生成，H2O2水平升高或O2－清除導(dǎo)致干細(xì)胞分裂終止。這些結(jié)果表明，ROS介導(dǎo)了植物莖干細(xì)胞命運的控制，O2－和H2O2之間的平衡對莖干細(xì)胞的維持和分化至關(guān)重要。[11]

6 總結(jié)與展望

SAM的作為植物生長發(fā)育中極其重要的一部分，其發(fā)育和維持需要大量的功能冗余的調(diào)控因子，調(diào)控信號網(wǎng)絡(luò)十分復(fù)雜，其中包含多種不同類型的調(diào)控因子和相互交叉的調(diào)控途徑，從而可以保證某個因子功能喪失時同樣可以維持SAM正?；顒?。隨著研究不斷進(jìn)展，相信我們對SAM的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)會有更加清楚的認(rèn)知，也能更早利用某些調(diào)控因子應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)研究。

?

?

參考文獻(xiàn)：

[1]?陳菊移，王鵬凱，陳金慧等.植物莖尖分生組織中的干細(xì)胞調(diào)控機(jī)制研究進(jìn)展[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014,42(08):11-14.DOI:10.15889/j.issn.1002-1302.2014.08.176.

[2]?張紅衛(wèi)著. 發(fā)育生物學(xué) 第3版[M]. 北京：高等教育出版社， 2001.08.

[3]?Somssich M, Je BI, Simon R, Jackson D. CLAVATA-WUSCHEL signaling in the shoot meristem. Development. 2016 Sep 15;143(18):3238-48. doi: 10.1242/dev.133645. PMID: 27624829.

[4]?Su YH, Zhou C, Li YJ, Yu Y, Tang LP, Zhang WJ, Yao WJ, Huang R, Laux T, Zhang XS. Integration of pluripotency pathways regulates stem cell maintenance in the Arabidopsis shoot meristem. Proc Natl Acad Sci U S A. 2020 Sep 8;117(36):22561-22571. doi: 10.1073/pnas.2015248117. Epub 2020 Aug 24. PMID: 32839309; PMCID: PMC7486707.

[5]?Cheng S, Tan F, Lu Y, Liu X, Li T, Yuan W, Zhao Y, Zhou DX. WOX11 recruits a histone H3K27me3 demethylase to promote gene expression during shoot development in rice. Nucleic Acids Res. 2018 Mar 16;46(5):2356-2369. doi: 10.1093/nar/gky017. PMID: 29361035; PMCID: PMC5861455.

[6]?Tan FQ, Wang W, Li J, Lu Y, Zhu B, Hu F, Li Q, Zhao Y, Zhou DX. A coiled-coil protein associates Polycomb Repressive Complex 2 with KNOX/BELL transcription factors to maintain silencing of cell differentiation-promoting genes in the shoot apex. Plant Cell. 2022 Jul 30;34(8):2969-2988. doi: 10.1093/plcell/koac133. PMID: 35512211; PMCID: PMC9338815.

[7]?Shi B, Guo X, Wang Y, Xiong Y, Wang J, Hayashi KI, Lei J, Zhang L, Jiao Y. Feedback from Lateral Organs Controls Shoot Apical Meristem Growth by Modulating Auxin Transport. Dev Cell. 2018 Jan 22;44(2):204-216.e6. doi: 10.1016/j.devcel.2017.12.021. PMID: 29401419.

[8]?Ma Y, Miotk A, ?utikovi? Z, Ermakova O, Wenzl C, Medzihradszky A, Gaillochet C, Forner J, Utan G, Brackmann K, Galván-Ampudia CS, Vernoux T, Greb T, Lohmann JU. WUSCHEL acts as an auxin response rheostat to maintain apical stem cells in Arabidopsis. Nat Commun. 2019 Nov 8;10(1):5093. doi: 10.1038/s41467-019-13074-9. PMID: 31704928; PMCID: PMC6841675.

[9]?Zeng, J., Li, X., Ge, Q. et al. Endogenous stress-related signal directs shoot stem cell fate in Arabidopsis thaliana. Nat. Plants 7, 1276–1287 (2021). https://doi.org/10.1038/s41477-021-00985-z

[10]?Du F, Gong W, Boscá S, Tucker M, Vaucheret H, Laux T. Dose-Dependent AGO1-Mediated Inhibition of the miRNA165/166 Pathway Modulates Stem Cell Maintenance in Arabidopsis Shoot Apical Meristem. Plant Commun. 2019 Sep 16;1(1):100002. doi: 10.1016/j.xplc.2019.100002. PMID: 33404539; PMCID: PMC7747967.

[11]?Huang H, Ullah F, Zhou DX, Yi M, Zhao Y. Mechanisms of ROS Regulation of Plant Development and Stress Responses. Front Plant Sci. 2019 Jun 25;10:800. doi: 10.3389/fpls.2019.00800. PMID: 31293607; PMCID: PMC6603150.