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向凤宁教授团队揭示细胞分裂素调控植株再生新机制
发布时间:2020-11-17 15:45:23

The Plant Cell 发表了山东大学植物发育与环境适应生物学教育部重点实验室向凤宁教授团队题为“The Type-B Cytokinin Response Regulator ARR1 Inhibits Shoot Regeneration in an ARR12-Dependent Manner in Arabidopsis” 的研究论文。该研究揭示了细胞分裂素调控植株再生的新的机制。

植物器官修复和再生是适应外界环境,完成生命周期的一种生存方式。植物器官、组织及细胞在离体条件下可再生植株,体现出植物细胞具有“全能性”(totipotency)。早在一个世纪前植物组织培养体系已建立,但迄今为止,植物细胞“全能性”机理仍不清楚。外源细胞分裂素对于离体苗再生至关重要,细胞分裂素信号转导途径的多种蛋白质,包括B型ARR (ARABIDOPSIS RESPONSE REGULATOR),参与调控拟南芥离体苗再生。某些B型ARR (例如ARR1、ARR10和ARR12) 通过激活WUSCHEL (WUS) 表达来促进离体苗再生。但B型ARR家族成员间如何精确调控离体苗再生尚不清楚

该研究利用ARR1和ARR12单突变体和双突变体离体苗再生能力鉴定发现,ARR12是离体苗再生的主要增强因子,而ARR1是该过程的抑制因子,抵消了ARR12的促进作用。证实了ARR12强烈激活干细胞调控因子基因CLAVATA3(CLV3)表达,ARR1通过与ARR12竞争结合CLV3启动子间接抑制CLV3的表达,从而起到对离体苗再生的抑制作用。同时,亦证实了ARR1通过与ARR12竞争结合WUS启动子,阻碍了WUS在干细胞中心(Stem Cell Niche)的表达,从而起到抑制离体苗再生的功能,揭示出二者通过对CLV3和WUS表达的多重作用来实现对离体苗再生的精确调控。另一方面,ARR1通过激活生长素信号通路的抑制因子基因INDOLE-3-ACETIC INDUCIBLE17(IAA17)来间接抑制WUS表达,从而抑制离体苗再生。


ARR1通过间接抑制CLV3表达、直接促进IAA17表达来抑制离体苗再生

ARR1通过与ARR12竞争性调控WUS表达来抑制离体苗再生


综上,该研究展示了B型ARR家族成员在离体苗再生中的多重功能及其拮抗关系,揭示了连接细胞分裂素信号、干细胞调控因子基因CLV3和生长素信号的新的分子途径,并阐明了细胞分裂素调控离体苗再生的潜在机制。

该论文通讯单位为山东大学,研究团队的刘振华助理研究员博士后代学焕及已毕业博士李娟为共同第一作者,向凤宁教授为通讯作者。该研究得到了国家重大科学研究计划、国家重点研发计划、国家自然科学基金、山东省重大基础研究等项目资助。

向凤宁教授课题组长期从事拟南芥离体苗再生的分子机制研究,利用离体培养体系,鉴定出多个参与离体苗再生的重要功能基因及miRNAs,解析了它们控制离体苗再生的分子通路,相关研究成果在The Plant Journal 2012;2016a;2016b 等发表系列论文。以上研究成果不仅为解析植物学领域重大科学问题“植物细胞全能性机理”提供了重要线索,而且为推动植物离体快繁和基因工程及农作物基因编辑技术(CRISPR-Cas9)的应用提供了理论指导。




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