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基因小传 ∣ WOX2:胚胎早期顶-基轴建成的关键
发布时间:2020-10-22 16:13:15

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




本推文基于科学文献和网络资讯写作而成,未经领域内专家审阅;限于笔者学识水平,难免存在错漏,仅供参考!