植物的形态建成是一个有序的，受遗传调控的过程。高等植物器官组织分化、形态特征形成，在胚胎发育早期就已经被确定了。其中胚胎期植物顶-基轴的建成，是植物发育后期形成顶端分生组织、子叶、下胚轴、根分生组织的基础。而WOX2在调控胚胎早期顶-基轴建成的过程中，发挥重要作用。

基因信息

Locus: AT5G59340

Name: WOX2

Other Name: WUSCHEL RELATED HOMEOBOX 2

基因背景介绍

在拟南芥中，胚胎的发育一般人为的划分为三个阶段：原胚发生阶段、早期胚发生阶段（球形期向心形期过渡）和晚期胚发生阶段（图1）^[1][2]。首先，合子胚经过不对称分裂首先形成两个细胞，一个顶细胞和一个基细胞，此时胚胎在纵轴上开始建立极性；两细胞胚经过四细胞期和八细胞期期，完成原胚阶段。第二时期，为球形胚向心形胚的过渡时期，此时是胚胎器官发生，组织类型分化的时期。第三阶段，为鱼雷胚和成熟胚时期，此时为器官生长和成熟的阶段。

图1. 拟南芥胚珠结构及胚胎的发育过程^[2]

突变体信息及研究概况

2004年，德国弗莱堡大学的Thomas Laux课题组在Development杂志发表题为“Expressiondynamics of WOX genes mark cell fate decisions during early embryonicpatterning in Arabidopsis thaliana”一文。在该文章中，作者使用原位杂交的方法探究了WOX2、WOX8以及WOX9在拟南芥胚发育过程中的表达位置。该文使用正向遗传学筛选到wox2-1和wox2-2两名突变体。在胚胎发育早期，两名突变体的顶细胞分裂均出现了异常，表现为细胞失去分裂能力或者细胞畸形的倾斜分裂（图2）。这就暗示着WOX2是维持胚胎顶细胞正常功能所必须的^[2]。（国内拟南芥突变体共享中心Arashare有两个wox2突变体，NASCode分别为N654647和N664939，可通过www.arashare.cn征订）

图2. WOX2的缺失影响了顶细胞的正常分裂^[2]

随后在2008年，Thomas Laux课题组在Development Cell杂志发表文章。在该文章中作者介绍，在胚胎发育的过程中，WOX基因家族展现了特定的空间和时间的表达模式。WOX2、WOX8在早期胚发育的形态建成过程中发挥重要作用。起初，WOX2在卵细胞和合子胚中表达；当合子胚经历第一次细胞分裂之后，WOX2在胚胎的顶细胞表达，而WOX8主要在基细胞表达^[3]。两名成员特异的调控胚胎的顶部和基部的发育，建立胚胎的顶-基纵向轴。前面研究报道了WOX2在胚胎发育早期的功能，那么它在胚后发育阶段是否发挥作用呢？2016年，日本的Sumire Fujiwara课题组对此进行了探讨。在该文章中，作者使用过表达、CRES-T以及VP16融合技术，发现WOX2具有转录抑制活性。过表达WOX2基因或者表达其嵌合抑制子的拟南芥植株发育缺陷非常严重。VP16融合蛋白能够减弱WOX2的过表达状态，转基因植物表型主要表现为异常的叶序及无规则的侧茎等（图3）。GUS染色结果显示，WOX2基因在侧向器官的边界区域表达很强（图4）^[4]。这都暗示着WOX2在拟南芥胚后发育过程中也发挥着的作用。

图3 WOX2-SRDX，WOX2-ox以及WOX2-VP16植株的表型分析^[4]

^{图4 ProWOX2：GUS的表达模式[4]} 

在2017年，Thomas Laux课题组在Development Cell杂志再次发表文章，该研究从植物胚胎干细胞的角度更加深入的探讨了WOX2的功能。在球形胚形成后，HD-ZIPIII转录因子是植物器官-芽身份确立的关键蛋白。而HD-ZIPIII突变体（rev phb phv三突）表型与wox1235的表型非常相似。为了确定WOX2与HD-ZIPIII成员是否在同一遗传通路中发挥作用，作者使用GFP标签，检测了wox1235胚胎中，HD-ZIPIII家族成员PHV，REV和PHB的表达量。结果显示三名成员的荧光强度都有所降低，即WOX2上调HD-ZIPIII家族成员的表达。除此之外，HD-ZIPIII成员表达量的增加能够恢复wox1235胚芽的分生组织发育缺陷。在wox1235突变体中，作者使用生长素报告基因DR5：GFP检测了生长素的含量，实验结果显示，突变体中生长素含量明显增加。进一步的实验结果显示，在突变体中过表达pWOX2：iaaL，使生长素的含量下调，此时突变体中分生组织开始出现；而细胞分裂素降解氧化酶CKX7的表达以及细胞分裂素信号抑制剂AHP6的表达，能够显著增强wox1235幼苗发育缺陷的表型。上述结果表明，WOX2通过微调生长素/细胞分裂素途径进而调控植物干细胞启动过程（图5）^[5]。

图5. WOX2调控胚胎干细胞启动模型^[5]

基因表达图谱

图6. WOX2基因表达图谱(引自eFP browser)

蛋白调控网络

图7. 拟南芥中WOX2蛋白互作网络预测（来自STRING）

其他物种研究情况简介

2009年，瑞典卡马尔大学的Palovaara Joakim和Inger Hakman教授对云杉和松中的WOX基因进行了相关研究，实验证实WOX2也参与了针叶植物的胚胎发育过程[6]。2016年，瑞典农业科学大学和林奈植物生物学中心的研究人员通过下调云杉WOX2基因的表达，揭示其对胚柄细胞及表皮原细胞的影响^[7]。

展望

WOX2在拟南芥胚发育前期和胚后发育过程中都发挥着重要作用。那么WOX家族中其他成员是否有相类似的功能呢？除此之外，WOX2作为一个胚胎发育的标记基因，其基因表达量的改变可以用于检测胚胎的发育，目前已有多篇文章报道与WOX2蛋白互作的成员。那么WOX2调节拟南芥胚胎发育的下游基因还有哪些？以及WOX2的整个转录调控网络也是非常值得研究的方向。 

参考文献：

[1] Goldberg RB, de Paiva G, Yadegari R (1994)Plant embryogenesis: zygote to seed. Science 266: 605–14.

[2] Haecker A, Groß-Hardt R, Geiges B, Sarkar A, Breuninger H, Herrmann M, LauxT (2004) Expression dynamics of WOX genes mark cell fate decisionsduring early embryonic patterning in Arabidopsis thaliana. Development 131:657-6683. 

[3] Breuninger H, Rikirsch E, Hermann M, Ueda M, Laux T (2008) Differentialexpression of WOX genes mediates apical-basal axis formation in theArabidopsis embryo. Development Cell 14: 867–8764.   

[4] Chung K, Sakamoto S, Mitsuda N, Suzuki K, Ohme-Takagi M, Fujiwara S (2016) WUSCHEL-RELATEDHOMEOBOX 2 is a transcriptional repressor involved in lateral organ formationand separation in Arabidopsis. Plant Biotechnology 33:245-2535.    

[5] Zhang Z，Tucker E，Hermann M，Laux T (2017) A Molecular Framework for theEmbryonic Initiation of Shoot Meristem Stem Cells. Development Cell 40: 264-277.6.     

[6] Palovaara J, Hakman I (2009) WOX2and polar auxin transport during spruce embryo pattern formation. PlantSignaling & Behavior 4: 153-1557.    

[7] Zhu T, Moschou PN, Alvarez JM,Sohlberg JJ, Arnold S (2016) WUSCHEL-RELATED HOMEOBOX 2 is important for protoderm and suspensor development in thegymnosperm Norway spruce. BMC Plant Biology 16: 19

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