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李传友研究组发现植物干细胞命运决定新机制

  固着生长的高等植物能够不断调整器官发生和发育进程,从而适应复杂多变的环境条件。与动物相比,植物的生长发育表现超强的可塑性,这主要取决于其干细胞组织结构。以模式植物拟南芥根尖分生组织为例,干细胞组织中心 (静止中心,Quiescent center, QC)与其周围干细胞共同构成根尖干细胞微环境,为根的生长发育持续不断地提供的细胞源。WUSCHEL-RELATED HOMEOBOX 5 WOX5)是一个在干细胞组织中心特异表达的HOMEOBOX家族基因,对于干细胞组织中心的命运决定起至关重要的作用。 

 

  一般认为根尖干细胞微环境的建立和维持受到两条核心转录因子通路的严格控制:即纵向的PLETHORA (PLT)途径和径向的SHORTROOT (SHR)/SCARECROW (SCR)途径。但这些转录因子如何精细调控WOX5的时空特异表达进而控制干细胞组织中心的命运决定并不明确。 

 

  中国科学院遗传与发育生物学研究所李传友研究组长期致力于根系可塑性发育的机理研究。他们发现逆境茉莉酸与生长素互作,通过改变干细胞活性调控根系的可塑性发育,并且调控损伤诱导的组织修复和根系再生过程(Sun et al., 2009, Plant Cell; Zhou et al., 2010, Plant Cell; Chen et al., 2011, Plant Cell; Zhang et al., 2018, PNAS; Zhou et al., 2019, Cell)。 

 

  该团队最新的研究表明,动植物中保守的LIM-domain binding (LDB)家族转录调控因子SEUSS (SEU)调控干细胞组织中心的命运决定。他们发现seu突变体中WOX5表达显著下降;且该突变体与wox5突变体呈现类似的干细胞发育缺陷。深入研究表明,SEU作用于SHR/SCR通路正向调控WOX5表达和干细胞组织中心的建立。SEU通过与转录因子SCR直接互作而被招募到WOX5启动子;然后,SEU通过直接互作招募组蛋白甲基转移酶SDG4WOX5启动子并诱导组蛋白H34位赖氨酸的三甲基化H3K4me3),进而激活WOX5表达。这项研究表SEU作为支架蛋白整合核心转录因子与表观遗传因子的功能, 形成SCR-SEU-SDG4转录复合体从而精确调控WOX5的时空特异表达和干细胞组织中心的命运决定。 

 

  该研究于2020914日在国际著名期刊The EMBO Journal在线发表(DOI:10.15252/embj.2020105047)。李传友研究组博士生翟华伟和博士后张潇月为论文共同第一作者。李传友研究员和中国农业大学周文焜教授为共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金委和中国科学院王宽诚教育基金等项目的资助。 

 

图:SEU整合遗传因子SCR和表观遗传因子SDG4激活WOX5表达并调控QC特性建立的分子机制