科学家揭开植物再生的秘密

日本的研究人员已经发现WOX13基因负向控制植株细胞再生的命运，影响植株茎部再生的效率。

植物拥有从体细胞完全再生的独特能力，也就是说，一个普通的细胞通常不参与繁殖。这个过程包括从头(或新的)形成一个茎尖分生组织(SAM)，产生侧面器官，这是植物重建的关键。

在细胞尺度上，SAM的形成受到阳性或阴性调节因子(基因/蛋白质分子)的严格控制，这些调节因子分别诱导或限制茎再生。但是有哪些分子参与其中呢?是否还有其他监管层面尚未被发现?为了寻找上述问题的答案，日本奈良科学技术研究所(NAIST)领导的一个研究小组研究了拟南芥(一种常用于基因研究的植物)的这一过程。

他们的研究发表在《Science Advances》杂志上，发现并描述了芽再生的一个关键负调节因子。他们展示了USCHEL相关的HOMEOBOX 13 (WOX13)基因及其蛋白如何通过作为转录(RNA水平)抑制因子促进愈伤组织细胞的非分生组织(非分裂)功能，从而影响再生效率。

“寻找提高植物茎部再生效率的策略已经进行了很长时间。然而，由于相关的监管机制尚不明确，进展一直受到阻碍。我们的研究通过定义一种新的细胞命运规范途径填补了这一空白，”这项研究的首席研究员Momoko Ikeuchi解释说。她的团队之前的研究已经确定了WOX13在移植后组织修复和器官粘附中的作用。因此，他们首先使用两步组织培养系统测试了该基因在控制WOX13拟南芥突变体(WOX13功能失调的植物)的茎再生中的潜在作用。

表型和成像分析显示，缺乏WOX13的植株的茎再生速度加快(快3天)，而诱导WOX13表达的植株的茎再生速度较慢。此外，在正常植物中，WOX13在SAM中局部表达水平降低。上述结果表明，WOX13对茎部再生具有负调控作用。

为了验证他们的发现，研究人员在多个时间点使用RNA测序将WOX13突变体和野生型(正常)植物进行了比较。在诱导愈伤组织的条件下，WOX13的缺失并未显著改变拟南芥基因的表达。然而，芽诱导条件显著增强了WOX13突变诱导的改变，导致芽分生组织调节基因上调。

有趣的是，在突变植物中，这些基因在WOX13过表达的24小时内被抑制。总的来说，他们发现WOX13抑制茎分生组织调节因子的一个子集，同时直接激活参与细胞扩增和细胞分化的细胞壁修饰基因。随后基于Quartz-Seq2的单细胞RNA测序(scRNA-seq)证实了WOX13在多能愈伤组织细胞命运中起关键作用。

该研究强调，与其他已知的茎再生负调控因子(仅阻止愈伤组织向SAM转变)不同，WOX13通过促进获取替代命运来抑制SAM规范。它通过与调节因子WUS相互抑制的调控回路实现这种抑制，通过转录抑制WUS和其他SAM调节因子，诱导细胞壁修饰因子，促进非分生细胞的命运。

因此，WOX13是再生效率的主要调节因子。“我们的研究结果表明，敲除WOX13可以促进芽命运的获取，提高芽调控效率。这意味着WOX13基因敲除可以作为农业和园艺的一种工具，促进组织培养介导的作物新生芽再生，”Ikeuchi总结道。

来源：Science Advances

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