突破！山東農大張憲省團隊揭示植物幹細胞發育調控關鍵機制！！

調控植物莖端分生組織發育的WUSCHEL（WUS）、SHOOTMERISTEMLESS（STM）和CLAVATA3（CLV3）三個關鍵因子已被國內外科學家發現20餘年，學術界對WUS和STM蛋白調節CLV3轉錄和幹細胞活性維持的關鍵作用有一定的認識，但是對於它們如何相互作用以調節幹細胞命運的調控機制仍不十分清楚。

張憲省教授科研團隊部分成員

山東農業大學張憲省教授科研團隊歷時近十年，首次揭示了WUS、STM、CLV3三個關鍵因子之間精細的相互作用模式，解析了WUS和STM介導幹細胞形成和維持調控途徑的交叉和協同，為進一步分析植物莖端分生組織幹細胞活性的調控機制提供了新的思路。該研究也是首次從分子水平解析了莖端幹細胞激活因子和增效因子相互依存的作用模式，解決了困擾植物學家多年的關於植物幹細胞調控的諸多疑問，填補了近20年來幹細胞調控領域關鍵因子之間相互關係的空白。北京時間8月25日，國際知名學術期刊《美國科學院院報》（PNAS）在線發表了這一重要研究成果。

論文截圖

植物幹細胞是一群具有自我更新能力並能夠不斷產生各種分化細胞的原始細胞，主要位於根尖和莖尖的分生組織以及形成層，在植物整個生命周期中保持其多能狀態，並控制著植物的生長和發育。植物莖端幹細胞決定了莖、葉、花、果實等地上部分器官的分化和發育，是所有地上部分器官細胞的來源，研究其調控機理對於解析植物器官的分化有重要意義。

20年來，利用模式植物擬南芥，科研人員經過長期的研究發現，WUS編碼組織中心的關鍵調控因子，能夠激活幹細胞特徵基因CLV3在組織中心上方的幹細胞中表達，並賦予它們幹細胞的特徵。STM作為幹細胞的另一個調控因子，與WUS共同過量表達會使植物的莖端幹細胞數量顯著增加。

WUS蛋白和STM蛋白在體內和體外直接相互作用

STM和WUS的結合位點

對於CLV3維持幹細胞的活性至關重要

據了解，WUS蛋白早在1998年被首次報導，作為調控植物莖端幹細胞的最關鍵調控因子，其功能和調控機制的研究一直是植物幹細胞領域的熱點。2002年以來，關於WUS如何與其他因子相互作用形成調控網絡，共同激活和維持幹細胞活性的相關研究越來越少。為了進一步解析WUS介導的調控途徑及調控機理，張憲省教授科研團隊於2011年開始篩選與WUS相互作用的直接互作蛋白，利用當時最新的CO-IP結合蛋白質譜篩選互作蛋白的實驗技術，希望能夠鑑定出新的WUS相互作用因子及其介導的調控莖端幹細胞活性的遺傳途徑和分子機制。經過多年的摸索，團隊優化了多種精細獲取莖端分生組織細胞和提取純化WUS蛋白的方法，獲得較穩定的帶有標記的WUS蛋白，終於篩選出了幾十個可能與WUS蛋白相互作用的因子，並在其中鑑定到了STM蛋白。

圖為張憲省教授（右二）指導科研團隊人員

討論WUS標記植株的莖端組織精細取材方法

而STM蛋白1996年最早被報導，也是幹細胞的關鍵激活與維持因子，其功能主要是維持幹細胞的未分化狀態，抑制其分化產生各種器官的細胞。多數研究認為STM介導的幹細胞調控途徑與WUS介導的途徑相互獨立或者存在互補作用，但從未有報導說STM和WUS有直接的相互作用。根據初步的相互作用實驗結果提供的線索，團隊利用各種遺傳和生化試驗，證實了STM作為WUS互作蛋白起作用的機制。

WUS 與STM蛋白協同調控莖端分生組織中幹細胞的活性

論文第一作者蘇英華教授介紹，本研究證實了WUS蛋白能夠與STM直接相互作用形成異源二聚體，共同結合到CLV3的啟動子上。STM通過與WUS相互作用形成複合體，進一步增強WUS與CLV3啟動子的結合強度，並激活其表達，從而增強莖端幹細胞的活性。此外，STM的表達還反過來依賴於WUS，WUS可以直接激活其互作因子STM的表達，以保證STM作為幹細胞增效因子的功能。

圖為張憲省教授（右）與蘇英華教授（左）

交流實驗設計和實驗思路

團隊負責人、通訊作者張憲省教授向記者介紹，植物幹細胞研究不僅是植物發育生物學核心研究命題，也是作物分子遺傳改良和植物生物技術產業化的重要基礎。本研究中的三個關鍵因子之間精細的相互作用模式對實現莖端分生組織內幹細胞的動態平衡具有特殊的意義，也為莖端幹細胞的發育調控提供了一個新的理論，即多能性幹細胞調控因子在莖端分生組織中形成一個調控幹細胞穩態的精細調節單位，從分子水平解析了激活因子和增效因子相互依存的作用，為植物幹細胞複雜的調控機制增添了新的內容。

莖端分生組織中WUS、STM、CLV3的調控網絡

該成果深入揭示植物幹細胞分子調控的機制，從根本上闡明植物的再生機制，即通過提高作物莖端幹細胞激活因子的表達水平，增強莖端幹細胞的活性，增加莖端分生組織幹細胞的數目，能夠增加作物營養器官的分化和發育，增加花器官的分化數量，形成更多的分枝，分化產生更多的籽粒。成果有望運用於玉米、小麥等大田作物，對於加速作物快繁、提高作物再生能力、顯著提高作物的產量等方面有重要意義，同時也將推動農業生物技術產業化發展。