《當代生物學》告訴你:植物幹細胞的來源以及枝繁葉茂的秘密

2021-01-08 茄子牛

植物也有幹細胞嗎？

我們所看到的植物生長出的分枝是以3D方式佔據空間的，這是它們適應環境的結果和關鍵。而幹細胞在其中發揮了重要作用，促進了新的生長軸的產生，那這些幹細胞到底從哪裡來？

這個問題的答案由中國科學院遺傳與發育生物學研究所（IGDB）的研究人員領導的新研究來回答。

這項研究結論於4月2日在《當代生物學》上發表，該研究描述了關鍵的莖幹細胞促進基因如何激活其自身的表達，從而在葉腋中維持幹細胞譜系，最終實現分支生長。這些知識可能有助於科學家優化作物結構並提高單產，這在全球氣候變化時代尤其重要。

與動物不同，植物在整個生命中都是由一種專門含有幹細胞的組織-分生組織形成側器官。莖尖分生組織形成葉，而在葉腋處建立的芽則可以形成分枝。重要的是，芽是由腋生分生組織形成的，它與芽頂端分生組織具有相同的發育潛力。

在先前的研究中，由IGDB領導的團隊指出，葉腋中保留了分生細胞譜系，以便為腋生分生組織的啟動提供祖細胞。在目前的研究中，他們展示了細胞命運是如何在這個細胞譜系中維持的。

該論文的通訊作者焦玉玲（音譯）教授說：「分生組織細胞使用一種非常簡單的機制來保持其身份」。

特別是，葉腋分生組織細胞維持著芽無分生組織(STM)的表達，這是一種促進芽分生組織的轉錄因子。 據第一作者、焦實驗室博士後曹秀偉(音譯)表示，這種表達很重要，因為它使STM位點能夠被其他結合蛋白連接。在腋窩分生組織起始前，需要將STM位點與其他轉錄因子結合。

不過，科學家的發現了一個重要細節，STM表達的維持依賴於自我激活。換句話說，STM與其自身的啟動子結合，然後激活基因表達。 （啟動子是RNA 聚合酶識別、結合和開始轉錄的一段DNA 序列，它含有RNA 聚合酶特異性結合和轉錄起始所需的保守序列，多數位於結構基因轉錄起始點的上遊,啟動子本身不被轉錄。）

研究人員還發現，STM與STM相互作用的夥伴蛋白ATH1協同工作。前者負責轉錄激活，而後者負責DNA結合。

雖然當前的研究集中在植物上，但也可能適用於動物研究。焦玉玲（音譯）教授說：「植物細胞不會遷移，這為研究細胞譜系和它的「命運抉擇」提供了更易處理的系統。這項研究幫助我們了解了如何維持細胞命運，而動物幹細胞也可以利用這種調節迴路。」

總的來說，這項研究激發了對植物和動物幹細胞命運維持的分子機制的進一步研究。

該研究由國家自然科學基金、中國科學院重點前沿科學研究項目、中國科學院戰略重點研究項目、英國皇家學會牛頓高級研究員、英國皇家科學院約翰·英納斯植物與微生物科學卓越中心資助。

參考資料Cao et al. (2020). A Self-Activation Loop Maintains Meristematic Cell Fate for Branching. Current Biology. https://doi.org/10.1016/j.cub.2020.03.031.https://www.technologynetworks.com/tn/news/genetic-self-activation-maintains-plant-stem-cells-332995

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