棉花团队揭示棉花愈伤细胞命运调控新机制

　　

南湖新闻网讯（通讯员 孙伟男）近日，我校棉花遗传改良创新团队研究成果以“GhTCE1-GhTCEE1 dimers regulate transcriptional reprogramming during wound-induced callus formation in cotton”为题在The Plant Cell发表。研究揭示了bHLH转录因子GhTCE1与同源转录因子GhTCEE1互作协同调控棉花愈伤组织细胞的生长发育，为体细胞胚胎胚发生过程中细胞命运重塑提供了新见解。

当植物受到机械损伤后，受伤部位的可塑性发育过程对其伤口修复和环境适应具有重要意义。具体表现为受伤部位的体细胞可以脱分化形成愈伤组织，封闭伤口防止感染；也可以从头进行器官发生，如形成不定根等；还可以通过组织培养过程，诱导体细胞胚胎发生（SE）。植物是如何在分子水平上决定细胞脱分化和再分化的命运转换一直以来备受关注。

图1 GhTCE1转基因愈伤组织表型分析

实验室前期通过棉花细胞胚胎发生（SE）过程中的RNA-Seq分析，鉴定到一个在SE早期阶段被强烈诱导表达的转录因子GhTCE1。该研究发现GhTCE1干涉系（Ri1,Ri2）和突变体（ko15和ko18）在下胚轴组织培养过程中与野生型相比，愈伤细胞增殖和生长严重受阻且产生大量不定根，而超表达系（OE1,OE3）相反。通过对愈伤细胞的生化分析和转录组测序表明GhTCE1主要参与了甾醇合成、细胞壁修饰、细胞扩张、ROS稳态及脂质转移并鉴定到29个潜在下游靶标，而激素信号途经不受影响。

鉴于大量GhLTPs富集在候选靶标中，本研究选取了其中在SE过程中高量表达的GhLTP2/3， 通过酵母单杂、LUC、EMSA及ChIP-qPCR等实验证实GhTCE1可以结合在GhLTP2/3启动子E-box（CANNTG）上激活其转录。

图2 GhTCE1结合靶基因GhLTP2/GhLTP3启动子激活其表达

此外，本研究也通过遗传学实验证实了GhLTP2和GhLTP3具有与GhTCE1类似的功能。同时，通过活性氧清除实验表明降低活性氧的积累可以有效恢复愈伤组织的增值，促进细胞的伸长并降低不定根的发生。这些结果表明GhTCE1-GhLTP2/3通过调节ROS动态平衡对愈伤细胞发育和命运决定发挥重要作用。

通过对早期愈伤组织cDNA酵母文库进行筛选，鉴定到10个GhTCE1候选互作蛋白。BiFC证实GhTCE1与GhTCEE1互作，且在早期愈伤诱导中呈现共表达模式。进一步通过LUC实验证实GhTCEE1增强了GhTCE1对下游靶标GhLTP2/3的激活能力。

图3 GhTCE1-GhTCEE1互作模块调控细胞命运转换的模型

该研究结果发现GhTCE1-GhTCEE1互作模块作为分子开关协同调控GhLTPs和ROS稳态控制无组织愈伤细胞增殖和有组织器官发育之间的命运转换，为研究创伤诱导的愈伤组织早期细胞命运转变提供了重要见解，对揭示分化状态的植物体细胞转变为全能细胞并最终形成胚胎的命运重塑机制有着重要意义。

华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室棉花遗传改良创新团队已毕业博士邓晋武（现就职于中国农业科学院油料作物研究所）和博士后孙伟男为论文共同第一作者，团队杨细燕教授、英国杜伦大学Keith Lindesy教授和塔里木大学何良荣教授为论文共同通讯作者，团队学术带头人张献龙教授参与了该研究的设计和指导。该研究得到了国家重点研发计划和中央高校基本科研业务费专项资金资助项目的资助。

审核人：杨细燕

【英文摘要】

Wounded plant cells can form callus to seal the wound site. Alternatively, wounding can cause adventitious organogenesis or somatic embryogenesis. These distinct developmental pathways require specific cell fate decisions. Here, we identify GhTCE1, a basic helix-loop-helix (bHLH) family transcription factor, and its interacting partners as a central regulatory module of early cell fate transition during in vitro dedifferentiation of cotton (Gossypium hirsutum). RNAi- or CRISPR/Cas9-mediated loss of GhTCE1 function resulted in excessive accumulation of reactive oxygen species (ROS), arrested callus cell elongation, and increased adventitious organogenesis. In contrast, GhTCE1-overexpressing tissues underwent callus cell growth, but organogenesis was repressed. Transcriptome analysis revealed that several pathways depend on proper regulation of GhTCE1 expression, including lipid transfer pathway components, ROS homeostasis and cell expansion. GhTCE1 bound to the promoters the target genes GhLTP2 and GhLTP3, activating their expression synergistically, and the heterodimer TCE1-TCEE1 enhances this activity. GhLTP2- and GhLTP3-deficient tissues accumulated ROS and had arrested callus cell elongation, which was restored by ROS scavengers. These results reveal a unique regulatory network involving ROS and lipid transfer proteins, which act as potential ROS scavengers. This network acts as a switch between unorganized callus growth and organized development during in vitro dedifferentiation of cotton cells.

论文链接：https://doi.org/10.1093/plcell/koac252