转录因子和植物激素调控侧生分生组织起始

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1、Regulation of Axillary Meristem Initiation by Transcription Factors and Plant HormonesMinglei Yang and Yuling JiaoFront. Plant Sci. 7:183. doi: 10.3389/fpls.00183转录因子和植物激素调控侧生分生组织起始 植物胚后发育的一个发育特性就是在整个发育过程中可以持续不断的生长和器官形成。侧生分生组织(AM)在这个过程中具有重要的作用。过去的中已经鉴定出一些参与AM起始的转录因子和植物激素。遗传发育所焦雨玲组在本综述中利用系统生物学的方法分析了侧

2、分起始的调控网络以及生长素和细胞分裂素在AM起始和发育过程中的作用。在本综述中作者阐述了一个植物激素信号同多转录因子的基因调控网络之间协同调控AM起始的发育机制。1、侧芽的形成和侧生分枝的产生 植物的胚后器官产生于具有一团多能干细胞的分生组织。在胚胎发育过程中，茎顶端分生组织（SAM）和根顶端分生组织（RAM）确立了植物的主轴而随后产生了茎和根的结构。在种子植物中，SAM会持续不断的产生植物生长单元（phytomer），包含一个叶片，一个侧生分生组织（AM）和一个节间。每一个AM又会作为一个新的SAM从位于叶腋处的侧芽重新生长确立第二个生长轴。因此SAM和AM共同决定了植物的整体株型。 总体来

3、说，侧芽的发育包括两个时期在叶腋出起始和随后的生长或休眠。以拟南芥为例，营养生长时期侧芽从SAM的远端起始确立了一个由下而上的梯度；反之，生殖生长时期侧芽在SAM附近刚刚形成的叶原基的叶腋处起始产生，形成一个由上而下的起始和生长模式。这也说明侧芽的形成在营养和生殖生长时期有着不同的分子调控机制。 AM的起始依赖于叶腋处的干细胞团（stem cell niche），而这团干细胞的确立同主干和叶原基的边界特化紧密联系。除此之外，AM的起始还和叶片的极性息息相关，因为AM只会在叶片靠近SAM的近轴一侧起始形成。 目前已经鉴定了一些分枝模式变化的突变体，如拟南芥中auxin resistant 和mo

4、re axillary growth突变体，矮牵牛中decreased apical dominance突变体，豌豆中ramous突变体都表现出侧芽的过度生长。生长素和独脚金内酯激素抑制侧芽的生长，而与之对应的细胞分裂素拮抗上述两种激素促进侧芽的生长。有趣的是，目前的研究工作报道蔗糖也可以调节侧芽的生长，从另一方面也可以解释顶端优势的内在机制。 2、拟南芥侧生分生组织的起始 营养生长时期起始侧生分生组织(AM)；生殖生长时期转变之后，在原本叶片的位置会被花原基(FM)所取代。通过对分子marker的分析我们发现FM是特化的AM，而包裹AM的叶片退化为苞叶或者隐形苞叶。基于这个理论，侧生器官主要

5、包括两个区域即叶片以及叶腋处的AM。这两个区段可以分别被叶片marker gene ANT和AS1以及分生组织marker基因STM所标示。以拟南芥为例，在营养生长时期，生殖生长转变时期和生殖生长时期分别会形成莲座叶，茎生叶和花原基，而这些侧生器官具有着不同的分区。然而这些区域分区的变化是如何随着发育时期转变的需要进一步的研究。 在营养生长发育时期，每一个植物生长单元包含一个大的莲座叶，一个短的茎和一个AM。AM起始在茎和叶片的连接处的近轴面即叶腋处。在该叶腋处的细胞体积显著小于周边细胞且具有分生组织活性。STM在叶腋处的任意发育时期都有表达，虽然是否存在一团持续表达STM的细胞还有待于检验。

6、由于STM表达的细胞会向叶片方向移动，所以我们猜想这些STM表达的起始细胞可能起到隔离叶原基和AM的作用，而AM是由在STM表达起始细胞的附近细胞脱分化所形成。在侧芽形成之前，STM在分生组织样细胞中表达提高。随后这些细胞持续分裂导致在叶片的近轴端可以看到一个显著的形态学凸起，最后形成一个包含有叶原基的可见侧芽。 茎顶端分生组织向花分生组织转变之后，在茎生叶转变之前会形成2-3个叶原基。茎生叶小于莲座叶而同其对应的侧芽一起生长发育。抑制FM的TFL1和促进FM的LFY在这个时期同时表达。 花期转变之后，SAM转变成花序分生组织形成具有花器官命运的原基。每一个原基会起始发育一个花分生组织和一个隐

7、藏的苞叶，并且具有一个伸长的节间。这个隐藏苞叶的位置虽然不能在形态学上看到但可以给被叶片特异基因ANT所标示。而由于ANT在该区域早期表达停滞，继而导致苞叶生长失败。歌德曾经提出过，花是高度压缩的茎。然而，花却不同于茎，因而花原基是决定性生长的分生组织，它可以形成一个瞬时的AM活性和产生有限数目的花器官。然而，花却不能分枝因为花器官例如萼片并不具备AM。AP1和MADS家族转录因子参与抑制萼片腋处AM的形成，这些基因的突变都会导致萼片腋处二度花的形成。而这种调控二度花的分子机制同营养生长时期的AM形成类似。3、参与调控AM起始的转录因子 已知影响AM起始的基因大部分编码转录因子。AM起始在叶腋

8、处，与叶原基同SAM形成的边界息息相关。许多影响AM起始的基因大多也影响边界形成，然而影响边界形成的基因并不一定是AM起始所必需的。 LATERAL SUPPRESSOR (LAS) 编码一个GRAS家族转录因子成员。拟南芥中las突变体会导致营养时期AM的特异性缺失。但LAS在番茄和水稻中的同源基因也会影响到生殖生长时期AM的发育。在营养和生殖发育时期，LAS的转录本特异性的在源于SAM的侧生原基的腋处积累。 REVOLUTA（REV）编码一个HD-ZIPIII转录因子。与las不同的是，rev突变体在营养和生殖时期均减少AM的形成。另外，REV在茎和根的许多组织类型中具有广谱的表达模式，因

9、此rev突变体也会表现出SAM，叶片，维管束和根的发育缺陷。 REGULATOR OF AXILLARY MERISTEMS (RAX)基因编码Myb-like 转录因子以功能冗余的方式参与调控拟南芥和番茄AM起始。相比于LAS，RAX1的空间表达更加在局限在叶腋处的中心位置，并且RAX1是目前已知的最早只是AM起始位置的分子标记。 另外，NAC结构域蛋白CUC1，CUC2和CUC3在边界特化和AM起始发育过程中即存在功能冗余也存在功能歧化。CUC基因在边界特异表达，但具有不同功能。CUC1在AM起始中无显著功能；CUC2轻微影响AM起始；而CUC3是AM起始的主要调节因子。las cuc3的

10、双突表现出更加强烈的侧芽缺失，这暗示LAS和CUC3基因在AM起始中部分功能重叠。 焦玉玲课题组还在遗传和基因组水平上解析了AM起始的基因调控网络。例如CUC3可以直接结合LAS启动子激活LAS基因的表达。细胞类型特异性表达分析和基因组水平Y1H分析显示CUC2和LAS的启动子可以被许多转录因子结合，两者是AM起始基因调控网络的两个核心枢纽。例如，RAX 1和3可以直接结合CUC2，CUC2接下来直接激活miRNA基因MIR164c的表达，反过来miR164会降解CUC1和2的转录本形成一个调控环。基因调控网络分析也鉴定了很多AM起始的调节因子，例如DRN通过直接激活CUC2的表达调控AM起始

11、。SQUAMOSA-PROMOTER BINDING PROTEINLIKE直接抑制LAS的表达进而抑制AM的起始，这样就将AM起始和衰老通路连接在一起。4、植物激素参与调控AM起始 生长素和细胞分裂素在植物发育过程中具有广泛和重要的作用，最近的研究表明这些激素也参与AM起始的调节。AM起始需要叶腋处AM的最低点，叶腋处异位表达生长素合成酶iaaM可以抑制AM的起始，叶腋处分生组织样细胞STM的表达下调，然而LAS基因的表达没有显著变化。这个叶腋处生长素的极低点依赖于生长素的输出和输入。在影响生长素输出的pin1突变体和影响生长素输入的aux1突变体中叶腋处的生长素极低点消失，AM起始失败。

12、生长素极低点形成之后，细胞分裂素在叶腋处积累，这个过程依赖于前者。细胞分裂素合成和信号突变体也都表现出AM起始的缺失。再者，STM可以促进IPT表达提高CK水平。 根据上述现象我们可以推测出下面一个线性调控AM起始的分子机制。1、生长素极性运输载体导致叶腋处形成生长素浓度降低。2、该处分生组织样细胞的STM表达上调，STM促进CK合成调高CK水平和信号。3、CK反过来正调控STM表达形成一个正反馈调控环。更进一步，AM起始也包含了很多植物激素和TFs的相互复杂的调控机制，如外源CK可以rescue rax突变体的AM起始缺失。另外，CK信号下游转录因子ARR1可以直接结合LAS启动子区促进它的

13、表达。 除了生长素和细胞分裂素，叶腋处GRN分析还有额外的激素信号参与调控AM的起始。其中一个候选激素是油菜素内酯激素(BRs)，BR参与调控边界特化和形成。一种假说认为，局部BR信号扰动激活边界特化LOB的表达，反过来LOB直接结合BR失活酶BAS1的启动子区促进上调BAS1基因的表达，使得BR信号下调，完成边界特化形成过程。 另一个有意思的观察是，BR激活基因BZR1直接抑制CUC3的表达，而边界区域CUC2和CUC3正向调节LOF1的表达，换句话说BZR1通过CUC3间接下调了LOF1的表达。加上上面我们提到的由于LOB依赖的BAS1的激活导致的BR水平下调，导致BR上调基因BZR1的下调，提高了CUC和LOF1的表达水平，促进边界的特化形成。结论与展望 最近对解析AM起始的机制所做的努力，让我们了解到许多转录因子和植物激素协同指挥调控AM的起始。然而，许多问题有待于进一步研究。例如就像气孔细胞谱系一样，AM起源细胞可能代表了一个分生组织样的细胞谱系，而理解分生组织样细胞的确立，维持和激活最终形成一个新芽这些命运转变过程中伴随的重大变化(分子细胞生理生化水平上的变化)对我们来说至关重要。也许下一步的工作，我们可以集中在转录调控网络和表观遗传修饰在AM起始过程中是如何影响细胞命运决定的。因此，我们需要鉴定更多的新的参与AM起始调控的因子以便更好的理解这个复杂的调控蓝图。