作者:李晨 王静 来源:中国科学报 发布时间:2020/8/26 1:04:38
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植物干细胞:两个明星基因的“星星”相“吸”

 

STM和WUS的结合位点对于CLV3维持干细胞的活性至关重要      山东农大供图

 

植物干细胞研究不仅是植物发育生物学的核心研究命题,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。STM与WUS是调控植物干细胞发育的两个明星基因。

距离山东农业大学教授张宪省团队第一次发现STM蛋白与WUS蛋白之间可能存在直接的相互作用,已经过去了整整8年。8月25日,美国《国家科学院院刊》在线发表了该团队关于植物茎端分生组织发育调控机制的成果。他们首次揭示了WUS、STM、CLV3三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。

 

“扑朔迷离”的明星基因

植物干细胞是一群具有自我更新能力并能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,几乎所有的植物细胞都来源于干细胞。干细胞在植物整个生命周期中保持着自身的多能状态,并控制着植物的生长发育。

“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。”论文通讯作者张宪省说。

20多年来,学术界对WUS和STM蛋白如何调节CLV3转录和干细胞活性维持的现象有一定的认识,但是对于它们如何相互作用以调控干细胞命运仍不清楚。

最先于1995年发现的CLV3基因是干细胞的特征基因。利用它作为标记,可以将茎端分生组织中的干细胞与非干细胞进行区分。

1996年被首次报道的STM蛋白,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。STM过量表达会使植物的茎端干细胞数量显著增加。

而作为调控植物茎端干细胞的核心因子,WUS蛋白于1998年被首次报道,其功能和调控机制的研究一直是植物干细胞领域的热点。

论文共同第一作者、山东农业大学教授苏英华告诉《中国科学报》,前人研究发现,WUS基因能够编码分生组织中的关键调控因子,激活干细胞特征基因CLV3在干细胞中表达,并赋予它们干细胞的特征。

2002年,有三篇关于WUS的重要论文问世,但其结论反而使得WUS的调节机制扑朔迷离。这三篇论文都从表型层面探讨了以WUS为核心的干细胞发育过程。第一篇发现WUS蛋白和STM蛋白之间是互补关系,第二篇发现二者是协同关系,第三篇则认为二者分别调控两个独立的过程。

限于当时的研究水平,科学家们都没有从分子机制上回答出现这种互相矛盾的现象的原因。

论文共同第一作者周超介绍,此后,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并不多见。就这样,多数科学家认为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。

 

核心基因并不孤单

自然条件下,已经发育成熟的叶或者根,是很难再生出新的小芽、形成新的植株。然而,如果人为调高WUS基因的表达量,已经发育成熟的叶片上就会长出新芽。

“这说明WUS能够激活植物干细胞发育的关键因子,它是一个核心因子。围绕着它,肯定还有其他关键因子与之相互作用。”张宪省认为,要想搞清楚植物干细胞发育过程,必须深入研究WUS蛋白及其互作因子。

随着生物科学实验技术的发展,2011年,张宪省团队开始筛选与WUS相互作用的直接互作蛋白。

张宪省(右二)与团队成员讨论WUS标记植株的茎端组织精细取材方法。山东农大供图

苏英华介绍,利用模式植物拟南芥,他们利用当时最新的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。

2012年9月的一天,苏英华和周超在众多候选因子中第一次筛选出STM,这让他们兴奋不已。“当时觉得能解析出来两大关键调控因子的互作关系,就可以把两条关键的调控途径整合在一起了,应该能更好地解释干细胞发育的机制。”

苏英华立刻告诉张宪省这一互作蛋白筛选实验结果。“先做STM和WUS的互作关系研究。”张宪省说。

然而,要证明这个假设并不容易。2016年,有科学家发现,WUS在植物体内可以移动,而且一旦浓度过大就会自我降解。这种不稳定的状态使得科学家很难在植物体内提取WUS蛋白。

张宪省意识到,这是他们的工作一直进展艰难的原因之一。他们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,获得了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。

 

三大因子“携手并进”

该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:WUS蛋白能够与STM直接相互作用形成异源二聚体,共同结合到下游基因CLV3的启动子上。该二聚体能进一步增强与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。

“在这个过程中,WUS扮演着‘主角’,它可以直接激活STM的表达;而STM被激活后,与WUS结合,起到干细胞增效因子的功能。”苏英华说。

茎端分生组织中WUS、STM、CLV3的调控网络        山东农大供图

这一机制的揭晓,也很好地解释了18年前科学家观察到的互相矛盾的WUS和STM的互作效果。

张宪省说,这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。

张宪省告诉《中国科学报》,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意义。这为茎端干细胞的发育调控提供了一个新理论,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,激活因子WUS和增效因子STM在分子水平上相互依存。

通过提高作物茎端干细胞激活因子WUS的表达水平,能够增强茎端干细胞的活性、增加干细胞数目,进而促进作物形成更多分枝,增加花的数量,产生更多的籽粒。

“这一成果有望运用于林木、玉米、小麦等大田作物,对于调控植物生长发育,加速植物快繁、提高植物再生能力,推动农业生物技术产业发展具有潜在的重要意义。”中国科学院院士种康评价说。

相关论文信息:https://doi.org/10.1073/pnas.2015248117

 
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