SPL13通过触发定向细胞分裂 控制根尖分生组织相变

研究人员开发了一种化学遗传筛选方法，并确定了Coral7是一种小分子，可以激活一种关键的相变调节因子和转录因子SPL13的表达。SPL13表达的激活导致根尖分生组织中细胞定向分裂和细胞增殖。这种控制细胞增殖的机制在拟南芥而水稻细胞中都有观察到，从而提供了在相变过程中根分生组织的年龄依赖性形态变化的分子见解。

　　

介绍

植物通过定向细胞分裂来调节器官大小、形状和组织模式，而定向细胞分裂是通过细胞分化和细胞壁各向异性的改变而实现的。在 拟南芥根尖分生组织（RAM）中确定了指导定向细胞分裂过程的几个分子因子，但控制这些过程的开始和持续时间的因素在很大程度上仍然是未知的。在茎尖分生组织（SAM）的营养发育过程中，定向细胞分裂也是一个突出的特征。幼体和成体之间的过渡被称为营养相变，由依赖microRNA156的SQUAMOSA启动子结合蛋白样（SPL）转录因子控制。在这一过程中发生的许多形态学变化中，定向细胞分裂使茎尖分生组织的大小逐渐增加，背面出现锯齿和毛状体的现象更为突然。虽然在不同的幼体和成体发育阶段之间的过渡概念还没有被推断到根部，但在发芽后的第一周和第三周之间，细胞分裂活性的增加是非常突出的，但迄今为止尚未得到充分的研究。这一过程不同于苗期萌发后第一周根尖分生组织的一般激活，后者是研究根系生物学的常用发育状态。

基本原理

为了确定影响植物细胞分裂方向的化学物质，我们设计了一种细胞培养系统，可以在几天内以小型化的形式跟踪细胞分裂及其方向。接下来，我们使用遗传和分子工具的组合来了解这些能够影响植物细胞分裂方向的小分子的下游功能。

结果

通过一种可用于高通量筛选的烟草双色亮黄-2 （BY2）细胞培养体系，我们鉴定出能够特异性控制拟南芥根尖分生组织的细胞分裂方向的小分子coral7。全基因组转录组分析进一步揭示，coral7诱导SPL13基因表达增加。SPL13表达水平导致根尖分生组织细胞中正常细胞分裂方向模式的改变，从而导致根尖分生组织的宽度的增加。我们进一步证明SPL13及其同源物是通过短根（SHR）途径和细胞周期调节因子控制细胞分裂方向的必要和充分条件。考虑到SPL13水平在正常发育过程中增加，我们接下来分析RAM活动随时间的变化。我们发现根尖分生组织经历了一个从幼年状态到成年状态的生长转变，其特征是细胞数量逐渐增加，中间皮层形成的开始，分生组织的宽度和长度普遍增加，以及基因表达的变化。在拟南芥和水稻中，这些特征在SPL高阶突变株系中缺失，而在SPL表达水平较高的株系中得到增强，这表明SPL转录因子在这一发育保守过程中是至关重要的。

结论

研究表明，植物根尖分生组织经历了一个从幼年状态到成熟状态的显著转变，表现为细胞数量的增加和中皮层的形成。我们的研究通过表明SPL转录因子是通过SHR途径和下游细胞周期调节因子控制这一转变的开始所必需的和足够的，为这一鲜为人知的保守发育过程提供了分子视角。我们的研究结果表明，理解根尖分生组织的发育需要一个更全面的方法，考虑到与幼年到成年过渡相关的基因表达的动态变化。也可能有必要在发展的后期阶段重新评价以前的结果。此外，考虑到SPL功能的进化守恒，精确的时空调制SPL表达水平可能是研究作物根系生长和根系结构调节的一个有趣途径。