Plant Cell | 西北农林科技大学南琼课题组合作揭示玉米气孔不对称分裂中成膜体延伸方向调控的新机制

责编 | 王一

气孔是植物获取 CO2 、响应干旱等逆境胁迫的重要结构基础，其发育和形态与植物抗旱性密切相关。在玉米气孔发育过程中，副保卫细胞母细胞 （subsidiary mother cell, SMC） 的极性建立和不对称分裂直接影响气孔的最终形态，密度等特征，然而这一过程依然有许多未知的调控机制。研究气孔形成过程中控制该过程的关键基因，对阐明细胞极性建立和不对称分裂这一重要生物学过程，以及理解气孔调节水分利用效率和抗旱的结构基础具有重要科学意义。

与拟南芥等双子叶植物的二细胞结构气孔相比，玉米具有由一对保卫细胞 （guard cell） 和一 对副保卫细胞 （subsidiary cell） 构成的典型四细胞气孔结构。玉米气孔发育是一个受到精细调控的复杂生物学过程，一般分为4个阶段：1）在玉米叶片发育初期， 基部的气孔基原细胞转变为保卫细胞母细胞 （guard mother cell, GMC） ，在特定的信号蛋白，如转录因子 BUZ2/ZmMUTE的作用下，保卫细胞母细胞（GMC）两侧的细胞转变为副保卫细胞母细胞 （subsidiary mother cell, SMC） ；2）副保卫细胞母细胞 （SMC） 中特定蛋白会产生极性定位，并促使细胞核发生极性定位，在 SMC 中形成极性位点；3）建立了极性的副保卫细胞母细胞通过不对称分裂 （asymmtric division） 形成一个副保卫细胞 （subsidiary cell, SC） 和一个表皮细胞；4）SMC分裂完成后， 保卫细胞母细胞会进行一次对称分裂形成一对保卫细胞 （guard cell, GC）（图 1） 。迄今为止，对玉米气孔发育的分子基础理解依然薄弱，许多关键的调控基因依然有待挖掘。

图 1. 玉米气孔发育示意图

近日，美国马萨诸塞大学Michelle Facette课题组和西北农林科技大学未来农业研究院南琼课题组合作在The Plant Cell在线发表了题为“The OPAQUE1/DISCORDIA2 myosin XI is required for phragmoplast guidance during asymmetric cell division in maize”的研究论文，揭示了玉米气孔不对称分裂中成膜体延伸方向调控的新机制。

研究团队鉴定到一株玉米气孔副保卫细胞形状不规则加长的突变体 （图2） ，进一步鉴定发现该表型是由 Myosin XI 基因突变导致。Myosin XI 是一个微丝马达蛋白，可以沿微丝轨道运动，参与囊泡运输、细胞器运动等重要生理过程，然而其在不对称分裂中的作用机制依然未知。

图2. Myosin XI 功能缺失突变体引起突变体气孔畸形（橙色所示）

研究人员通过遗传学方法，将 Myosin XI 缺失突变体与玉米副保卫细胞母细胞（SMC）极性建成中关键蛋白 BRK1、PAN2、WPRs、PAN1、ROP、actin 等的标记株系进行杂交，发现在 Myosin XI 缺失后不影响这些蛋白极性信号的建立，表明 Myosin XI 不参与极性建立过程。进一步通过免疫荧光和活细胞成像手段发现，Myosin XI定位于副保卫细胞母细胞成膜体中间的细胞板 （division plane）（图3） ，其功能 缺失突变体会引起成膜体方向异常 （图4） 。

图3. Myosin XI定位在成膜体中间位置。成膜体（酒红色所示），Myosin XI(青色所示)

图4. WT(左) 和Myosin XI功能缺失突变体（右）副保卫细胞母细胞（SMC）中成膜体的方向。成膜体（绿色所示），DNA（酒红色所示）

通过 Co-IP/MS实验和酵母双杂验证，发现 Myosin XI可以与 KINESIN 12家族蛋白互作。KINESIN 12蛋白是微管马达蛋白， 与拟南芥中调控成膜体方向的 POK1/2 (PHRAGMOPLAST ORIENTING KINESIN1/2) 蛋白同源。进一步通过活细胞成像技术研究发现，Myoisn XI 仅参与调控成膜体形成后期的延伸方向， 而不调控成膜体早期形成的方向 （图5） 。表明 Myoisn XI 和 KINESIN 12 在成膜体形成的后期协同调控气孔副保卫细胞母细胞 （SMC） 的不对称分裂。

图5. Myosin XI 缺失突变体成膜体在形成前期正常（-36到0 min）,而在形成后期发生了方向错位（6到54 min）

该研究首次在植物中发现微丝马达蛋白 Myosin XI 和微管马达蛋白 KINESIN 12 的相互作用，揭示了 Myosin XI 蛋白在玉米气孔不对称分裂中的新功能。促进了人们对玉米气孔 SMC 不对称分裂过程的认识，对阐明植物细胞不对称分裂的调控机制具有重要的科学价值，也为通过改良气孔形态提高作物植物抗旱性提供了理论基础。此外，该成果证明 Myosin XI仅在成膜体后期形成起作用，支持 Peter Hepler实验室早期提出的结论：细胞分裂中成膜体的形成并不是一个连续的调控过程，至少可以被分成两 个阶段。该证据为今后成膜体形成的相关研究提供了新思路。

图6. Myosin XI 调控玉米气孔不对称分裂模式图

除此之外，该课题的研究中，研究人员也发现了一系列有趣的现象和科学问题有待进一步的解答。1）已有研究表明玉米Myosin XI 缺失突变体会引起种子透光性减弱，所以该基因也叫OPAQUE 1（ doi.org/10.1105/tpc.112.101360 ）。该表型是由于OPAQUE 1/Myosin XI功能缺失造成种子胚乳内质网形变，致使淀粉粒的不正常形成和积累。那么，在突变体气孔不对称分裂中内质网是否也受到影响，以及内质网在气孔不对称分裂中的作用依然未知。2）研究人员也发现，Myosin XI 在细胞分裂旺盛组织中主要以两种剪切体的形式存在，这两种剪切体主要不同在于蛋白质N端区域。这两种剪切体的具体表达位置，功能差异，形成的方式，以及对玉米生长发育的意义依然未知。3）另一个有趣的现象是，Myosin XI功能缺失突变体副保卫细胞母细胞（SMC）成膜体形成方向形成过程中，总是一端正常，一端异常，而非两端同时异常。该现象表明，可能存在其他相关蛋白协助Myosin XI在对对称分裂时行驶功能，鉴定Myosin XI 互作蛋白将促进该调控机制的揭示。4）Myosin XI功能缺失突变体除了引起玉米气孔形态发生畸形，还造成一部分气孔停留在保卫细胞母细胞（GMC）发育时期（图7），不能形成四细胞结构气孔，该缺陷会造成气孔密度减少。然而，造成该缺陷的调控机制依然未知。已有研究表明植物气孔形态、大小和密度等参数对植物水分利用效率和抗旱性至关重要，这些研究将为玉米气孔相关改良育种提供理论支撑。

图7. Myosin XI 突变体引起突变体气孔密度降低，右图黄色所示为Myosin XI缺失突变体成熟叶片中气孔停留在GMC时期

西北农林科技大学未来农业研究院南琼博士、加州大学河滨分校梁宏（Hong Liang）博士，以及Facette实验室已毕业硕士Janette Mendoza（美国新墨西哥大学）为论文共同第一作者。马萨诸塞大学刘乐（Le Liu）博士、加州大学河滨分校Carolyn G. Rasmussen博士、加州大学圣地亚哥分校Eric J Bennett和Amit Fulzele博士等参与了本研究并提供了重要指导。该论文后期实验数据补充和文章修订工作主要在西北农林科技大学未来农业研究院的支持下完成。

论文连接：

https://doi.org/10.1093/plcell/koad099