Nature Plants | 杨宝军博士等揭示维管维持细胞分裂素稳定的分子机制

责编 | 奕梵

植物激素在植物的生长发育和响应外界环境等过程中发挥重要作用。在植物发育过程中，激素的水平需要被生物体稳定控制以协调其生长发育。在植物维管束的形态建成和生长过程中，生长素和细胞分裂素扮演了关键角色【1】，然而细胞分裂素（Cytokinin, CK）如何在维管（Vascular）的动态生长发育中保持有效活性及其动态稳定过程仍然未知。木质细胞（xylem）中特异表达的TMO5/LHW转录因子复合体在维管束发育过程中发挥了重要的作用。前期的研究表明，TMO5/LHW可以直接激活CK合成酶LOG4的表达，进而产生CK扩散到邻近原形成层（procambium）细胞中促进细胞分裂和增殖【2】。然而，LOG4不能完全解释TMO5/LHW的功能，暗示有其他重要下游基因介导TMO5/LHW的功能

2021年11月15日，来自比利时根特大学VIB研究所的Bert De Rybel研究团队在Nature Plants在线发表了题为Non-cell autonomous and spatiotemporal signaling from a tissue organizer orchestrates plant vascular development的研究论文（杨宝军博士为第一作者兼通讯作者）。该研究通过结合单细胞测序分析维管发育过程，揭示了木质部细胞通过非细胞自主性和时空动态调控周围细胞CK合成和稳定的分子机制。

该研究中，研究者首先以LOG4为靶基因进行了TMO5/LHW的潜在靶标的单细胞共表达谱分析，鉴定到一个木质部特异表达的未知功能基因BGLU44。通过进一步的实验证明，BGLU44是TMO5/LHW的直接靶标。进一步遗传、生化和酶活分析发现，糖基化修饰的CK（非活性）是其直接底物。BGLU44的功能是将糖基化修饰的非活性CK转化为具有细胞活性的CK。这表明，TMO5/LHW通过激活LOG4和BGLU44确保木质部产生稳定且有活性CK，并且可以有效防止活性CK转化为非活性形式。

当BGLU44和LOG4持续高表达的时候又会产生过量的CK，不利于维管的发育。那么这一过程是如何被稳定的呢？研究人员通过CK处理拟南芥根进行单细胞测序，发现在原形成层表达的CK氧化酶CKX3【3】被显著富集，提示CKX3可能参与了CK含量的稳定性调控。

CK处理后单细胞组学分析

进一步的研究发现，TMO5/LHW也可以调控CKX3的表达水平，同时CK处理tmo5突变体不能有效促进CKX3的转录，表明TMO5/LHW可以通过非CK途径调控CKX3的表达。考虑到TMO5（xylem）与CKX3（procambium）表达位置的不同，作者推测可能有一个移动因子作为桥梁介导了两者的调控。之前的研究表明，维管发育和根形态建成的重要移动转录因子SHR（short root）可以直接调控CKX3的转录【4,5】。研究人员进一步通过测试SHR在TMO5相关材料中的转录水平，发现TMO5/LHW可以直接启动SHR的表达，进而通过调控转录的时间差有序启动了LOG4，BGLU44，SHR和CKX3，达到了稳定且有序的控制活性CK在原形成层中的含量。另外，该研究也表明，木质部细胞可以作为CK的源库，当CK扩散到邻近细胞发挥功能后，木质部细胞又可以通过移动因子调控周围细胞的CK含量及活性，从而保证了维管发育过程中源细胞与功能细胞的区域划分及源库稳定。

调控模式图

综上所述，该研究通过结合不同策略的单细胞测序分析（单细胞共表达分析及激素处理后特定位置的单细胞组学分析），找到了TMO5/LHW的另外两个重要下游基因BGLU44和SHR，表明了木质部可以作为维管束发育的中心细胞通过时空转录及非细胞自主控制方式协调震荡在原形成层中的CK含量，达到控制周围细胞分裂和生长的目的。该研究进一步丰富和完善了维管束生长发育的分子调控网络，同时对植物中单细胞技术的应用，激素水平的稳定调控及细胞间信号交流等方面的研究具有重要的借鉴和参考意义。

比利时根特大学VIB研究所博士后研究员杨宝军（原中科院分子植物科学卓越创新中心毕业博士生）为本文的第一作者和通讯作者，Bert De Rybel为本文的共同通讯作者。VIB植物单细胞研究中心，捷克科学院植物研究所Ondřej Novák课题组，英国诺丁汉大学Anthony Bishopp课题组亦参与了本文的合作研究。

值得一提的是，该论文是继该研究组2020年在Science发表关于单细胞和TMO5/LHW功能的研究论文（杨宝军亦为该论文的共同第一作者）后的又一进展（点击查看：）。同时，相关的单细胞测序数据可以通过可视化网站进行查询和分析：

https://bioit3.irc.ugent.be/plant-sc-atlas/

参考文献：

【1】Bishopp, A. et al. A mutually inhibitory interaction between auxin and cytokinin specifies vascular pattern in roots. Current biology 21, 917-926, (2011).

【2】De Rybel, B. et al. Integration of growth and patterning during vascular tissue formation in Arabidopsis. Science 345, 1255215, (2014).

【3】Bartrina, I., Otto, E., Strnad, M., Werner, T. & Schmülling, T. Cytokinin regulates the activity of reproductive meristems, flower organ size, ovule formation, and thus seed yield in Arabidopsis thaliana. Plant Cell 23, 69-80, (2011).

【4】Helariutta, Y. et al. The SHORT-ROOT gene controls radial patterning of the Arabidopsis root through radial signaling. Cell 101, 555-567 (2000).

【5】Cui, H. et al. Genome-wide direct target analysis reveals a role for SHORT-ROOT in root vascular patterning through cytokinin homeostasis. Plant Physiol 157, 1221-1231, (2011).

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41477-021-01017-6