Nature Plants | 华中农业大学陈春丽课题组与合作者发现DNA损伤可诱导植物体细胞重编程逆转为干细胞

责编 | 逸云

2005年，植物细胞全能性和再生被Science期刊列为最重要的最具挑战性25个科学问题之一【1】。 植物体细胞在哪些 因素的作用下可以发生重编程再生出新的器官或独立植株，一直是植物科学领域的研究热点之一。 DNA 损伤是生物体无法避免的，因为它可以由细胞内源的反应造成，也可以由外界环境中的各种胁迫造成【2】。 由于 DNA 储存着生物体生存和繁衍的遗传信息， 一般认为 DNA 损伤破坏了基因组完整性从而影响细胞生活力，在动物多能干细胞的诱导和再生过程中起负面作用。

2020年8月17日，华中农业大学生命科学技术学院陈春丽课题组与日本国立基础生物学研究所Mitsuyasu Hasebe研究组在Nature Plants在线发表了题为DNA damage triggers reprogramming of differentiated cells into stem cells in Physcomitrella的研究论文。该研究发现，在早期陆生模式植物小立碗藓中，DNA损伤可以诱导叶片细胞重新编程为干细胞，并再生出新植株。这是一种全新的植物适应胁迫环境的策略，也是首次发现DNA损伤在细胞重编程中有积极的诱导作用。

在动物细胞中，大量的DNA损伤通常被认为抑制动物细胞的重编程，因为DNA损伤会导致细胞周期停滞和细胞凋亡等现象。该研究发现，小立碗藓的叶片细胞被DNA损伤诱导试剂浸泡6小时后，基因组DNA链断裂；随后受损的DNA在一天左右被修复到原先的状态 。

图1 DNA损伤诱导试剂引起植物叶片细胞不依赖于死细胞重编程为干细胞

进一步研究发现，这一修复过程依赖于DNA损伤响应因子蛋白激酶ATR，而不依赖于DNA损伤响应因子蛋白激酶ATM。然后，一个物理损伤诱导的重编程调节因子STEMIN1被触发工作。STEMIN1积累表达的叶片细胞会重编程再生出绿丝体顶端干细胞（ 视频 1 ），且再生出的绿丝体干细胞可以继续生长发育并形成新的具有茎和叶的完整植株（图 1）。这个结果令人震惊，因为面对大量的DNA损伤动物细胞选择死亡，而植物细胞选择重编程产生新的后代。

视频1：DNA损伤试剂zeocin处理后，小立碗藓叶片细胞再生为原丝体干细胞的过程。 左， 明场下的叶片； 右，叶片细胞核的荧光 信号。

植物不能像动物一样迅速地逃离不利环境，植物产生伤口后，伤口处的死细胞可以诱导其周围分化的细胞转化为干细胞。然而，该研究发现DNA损伤诱导植物体细胞转变成干细胞的整个过程并不依赖于死细胞，是一种全新的植物应对逆境的策略。

图2：DNA损伤诱导试剂引起植物叶片细胞不依赖于死细胞重编程为干细胞的分子模型

该研究由华中农业大学生命科学技术学院与日本国立基础生物学研究所合作完成，华中农业大学生命科学技术学院陈春丽课题组与日本基础生物学研究所联合培养博士生顾南、日本基础生物学研究所助教玉田洋介（ Yosuke Tamada ）为论文共同第一作者，华中农业大学生命科学技术学院陈春丽副教授和日本基础生物学研究所进化生物学实验室长谷部光泰（ Mitsuyasu Hasebe ）教授为论文共同通讯作者。捷克国家科学研究院Karel J. Angelis教授为该研究提供了部分技术支持。该研究受到国家自然科学基金、华中农业大学科技自主创新基金、国家留学基金委和国家级高端外专引智项目等的资助。

参考文献

1. Vogel G. How does a single somatic cell become a whole plant?. Science, 309: 86 ( 2005 ).

2. Yoshiyama, K. O., Sakaguchi, K. & Kimura, S. DNA damage response in plants: conserved and variable response compared to animals. Biology 2, 1338–1356 (2013).

https://www.nature.com/articles/s41477-020-0745-9