我國科學家描繪出植物體細胞胚發生的轉錄調控等級網絡

Dev. Cell | 中科院分子植物卓越中心王佳偉研究組揭示植物體細胞胚發生的轉錄調控等級網絡

以下文章來源於中科院分子植物卓越中心 ，作者CEMPS

2020年8月4日，Developmental Cell在線發表了中國科學院分子植物科學卓越創新中心王佳偉研究組的題為「Chromatin Accessibility Dynamics and a Hierarchical Transcriptional Regulatory Network Structure for Plant Somatic Embryogenesis」的研究論文，揭示了植物體細胞胚發生的轉錄調控等級網絡。

體細胞胚發生是指植物體細胞在特定誘導條件下，再生為胚胎並進而發育成為獨立個體的過程。它是現今創製轉基因作物的主要方式。體細胞胚發生的分子機理是Science期刊評選的全世界最前沿125個科學問題之一，對於理解植物細胞的全能性具有重要理論意義。先前的研究表明，高濃度生長素、非生物脅迫或過表達細胞全能性轉錄因子（如LEC1、LEC2和BBM等）均可促使植物體細胞發生命運轉變形成體細胞胚，在此過程中伴隨著體細胞表觀組和轉錄組的改變。

全世界最前沿的125個科學問題之一——單個體細胞怎樣成為整株植物？

本研究首先利用ATAC-seq技術發現外植體的發育年齡階段位於體細胞胚發育轉錄調控等級網絡的最上層。外植體的胚性本質是體細胞命運重編程的前提條件；當種子萌發後，細胞全能性基因座位的染色質狀態迅速由開放轉變為關閉，導致體細胞胚發生能力的喪失。這一發現回答了為什麼植物體細胞胚的發生必須以幼嫩胚胎作為外植體這一科學問題。

進一步研究發現，生長素位於調控等級網絡的第二層，它可以快速誘導體細胞染色質開放狀態的重編程，並同時激活細胞全能性因子的表達。通過對染色質差異開放區域進行聚類和轉錄因子結合位點富集分析，發現WRKY、CAMTA和TCP等轉錄調控因子家族成員可能參與了這一階段染色質開放狀態的重塑。LEC1、LEC2和BBM等細胞全能性因子位於調控等級網絡的第三層。結合轉錄組測序（RNA-seq）與染色質免疫共沉澱測序（ChIP-seq）技術，發現LEC2是細胞全能性因子的一個功能輸出口，它通過直接激活早期胚胎發育關鍵基因WOX2和WOX3的表達誘發體細胞胚的發生。

綜上，這些研究成果描繪了植物體細胞胚發生的轉錄調控等級網絡，建立了細胞全能性轉錄因子與早期胚胎發育的直接連接。相關的ATAC-seq資料庫也為我們進一步挖掘參與體細胞胚發生的新調控因子奠定了良好的基礎。

中國科學院分子植物科學卓越創新中心博士研究生王付祥和商冠東為論文共同第一作者，中科院分子植物科學卓越創新中心王佳偉研究員為通訊作者。本研究得到國家自然科學基金委基礎科學中心項目、中國科學院戰略先導B和前沿科學重點研究項目的資助。

論文連結：

https://doi.org/10.1016/j.devcel.2020.07.003