维管植物中阻止干细胞分化和维持性别平衡的调控机制

普渡大学的植物科学家利用蕨类植物模型发现了一种蛋白质，这种蛋白质在控制维管植物的细胞分化和决定性别方面起着以前未知的作用。这一发现为干细胞增殖过程提供了新的见解，干细胞增殖过程通过防止所有后代发育为雄性来确保物种的繁殖和生存。植物学和植物病理学副教授周云和普渡大学的五位合作者最近在《当代生物学》上发表了他们的研究结果。该团队的工作重点是角蕨，一种经常用于植物学研究的蕨类植物，以揭示在细胞和分子水平上调节干细胞增殖的基本过程。在植物中，未分化的干细胞存在于活跃生长的组织中，称为分生组织。研究人员发现，一种名为CrHAM的基因与所有植物、动物和人类共有的一个至关重要的过程——干细胞增殖有关。所有这些多细胞生物都拥有未分化的干细胞。

　　

普渡大学的植物科学家利用蕨类植物模型发现了一种蛋白质，这种蛋白质在控制维管植物的细胞分化和决定性别方面起着以前未知的作用。这一发现为防止所有后代发育为雄性而确保物种繁殖和生存的干细胞增殖过程提供了新的见解。

植物学和植物病理学副教授Yun Zhou和普渡大学的五位合作者最近在《当代生物学》上发表了他们的研究结果。该团队的工作重点是角蕨，一种经常用于植物学研究的蕨类植物，以揭示在细胞和分子水平上调节干细胞增殖的基本过程。在植物中，未分化的干细胞存在于活跃生长的组织中，称为分生组织。

研究人员发现，一种名为CrHAM的基因与所有植物、动物和人类共有的一个至关重要的过程——干细胞增殖有关。所有这些多细胞生物都拥有未分化的干细胞。

“未分化意味着它们有能力分裂并提供最终分化成各种器官的细胞，”Yun Zhou说。“这就是为什么维持干细胞数量和分生组织发育对植物生长和繁殖很重要。”

虽然植物科学家已经知道干细胞在植物生长发育中起着至关重要的作用，但“在这项工作中，我们发现CrHAM调节分生组织的不确定性，这意味着它们的主要工作是阻止干细胞分化，”Yun Zhou解释说。

这种植物可以发育成雄性或雌雄同体。雌雄同体，即同时拥有雄性和雌性生殖器官，发育并维持分生组织。然而，雄性不发育分生组织。发表在《当代生物学》杂志上的研究结果表明，CrHAM是阻止雌雄同体分生组织形成男性器官的关键机制。如果没有这种调节，分生组织总是会分化成雄性器官，导致雌雄同体身份的丧失，从而结束物种的繁殖。

Yun Zhou的研究小组结合了严格的分子遗传分析，不同性别和基因型的全基因组表达谱，以及使用实时成像共聚焦显微镜对细胞分裂进行定量分析，以收集数据并验证他们的假设。实验室开发的这项技术使研究人员能够观察到角翅雀的单个细胞如何分裂并分化成不同的器官，而不会干扰植物的正常生长。

使用这种技术获得的先前结果发表在2022年的《通信生物学》论文上。《当代生物学》和《通讯生物学》这两篇论文的第一作者是普渡大学的博士生Yuan Geng，他毕业于Zhou实验室，现在是加州理工学院的博士后。

这篇《当代生物学》的论文是Zhou和他的团队自加入普渡大学以来发表的一系列研究成果中最新的一篇。她的研究旨在了解植物维持干细胞分裂和维持器官形成的细胞和分子机制。多细胞生物如何平衡这些过程产生了许多问题。

“在我的实验室里，我们已经建立了两个模型系统来解决这些问题，”Zhou说。其中之一是蕨类植物角蕨，一种无种子的植物模型。另一个是拟南芥的芽分生组织，这是开花种子植物的一个模型。在2018年《科学》杂志和2020年《自然通讯》杂志上发表的涉及干细胞和其他HAM家族基因的相关拟南芥研究中，周的团队发现了科学家最终可能利用的调节原理来优化茎分生组织活性并提高作物产量。

虽然Zhou的研究并不直接关注农作物，但所获得的知识可以帮助提高生物质能源生产和提高粮食生产的产量。此外，对干细胞行为和调控的更深入了解最终可以通过干细胞再生器官或干细胞治疗造福人类健康。

“它们都与干细胞分裂和分化的基本机制直接相关，”他说。“我们在这个模型系统中学到的基本知识绝对可以应用于让人们生活得更好”。

作为维管植物，蕨类植物和种子植物都通过专门的组织输送水分和营养物质。然而，与种子植物不同，蕨类植物产生孢子而不是种子来繁殖。

蕨类植物和种子植物的谱系在几亿年前就分离了。经过这么长时间，HAM基因家族仍然致力于保持分生组织细胞未分化。

“在不同的植物物种中，这些基因有时与不同的信号通路合作，但在细胞和发育水平上，它们的工作是为了实现相同的目标。”这有点令人惊讶，并为我们未来的研究提出了新的问题。”