拟南芥根系发育的调控外文翻译资料

拟南芥根系发育的调控

原文作者 JaleanJ.Petricka,CaraM.Winter,andPhilipN.Benfey

单位：Department of Biology and Duke Center for Systems

Biology, Duke University, Durham, North Carolina 27708

摘要：在过去的几十年里，拟南芥的根系一直是火热研究的课题。通过这项研究，人们对根系发育的分子机制有了更深入的了解。对单个细胞类型的规格、细胞形态、生长和分化、主根的分支以及根对环境的反应等方面都有了重要的认识。其中转录因子和植物激素起着关键的调控作用。最近，涉及蛋白质运动和基因表达振荡的机制也被揭示。通过全基因组图谱实验重建了控制根发育的基因调控网络，揭示了新的分子联系和模型。未来对这些模型的改进可以对产生简单生长的根的复杂分子相互作用进行更完整的描述。

关键词：胚胎发生； 径向模式； 发展区域；激素；侧根；基因调控网络

导言：

根是植物的器官，通常在土壤表层以下生长，并对各种环境障碍作出反应。根不仅为植物的气生部分提供结构支持，还能获得对植物生长至关重要的营养和水分。因此，植物的整体生存取决于适当的根系发育、生长和功能。然而，对根发育的研究是具有挑战性的，因为根是不可接近的，观察往往需要侵入措施。此外，许多植物物种的根系非常复杂，这使得描述根的基本发育机制非常困难。

利用模式生物拟南芥，植物根系发育的研究取得了很大进展。拟南芥的根细胞组织非常简单，可以在非土壤培养基中轻松生长，便于分析。25年的工作让我们对有关拟南芥根系发育有了了解，这些工作始于经典的遗传实验，又利用了现代分子生物学和基因组学技术的使用。我们现在掌握了不同类型的细胞在不同发育阶段的分子状态，以及它对各种刺激的反应，这详细程度是任何其他器官都无法获得的。这种深入的表征将根部推向了植物发育生物学领域的前沿。

本文概述了我们目前发现拟南芥根系发育是如何在分子水平上精密调控从胚胎发生到成体。本文重点介绍了近期对根尖分生组织(RAM)的研究。RAM是根尖上由未分化的细胞组成，产生不同的根细胞。本文讨论了调节根的组织和发育区域模式、侧根(LRs)的产生以及根对环境刺激的反应的途径和机制。概述了我们展望未来如何利用基因组数据建模和探索控制根发育和响应的基因调控网络。

胚胎发育:根的形成

胚的顶端-基部极性是在胚发生早期形成的，位于胚叶(子叶)顶端和胚根之间的芽分生组织，位于根分生组织底部(基部)端之间。在拟南芥胚胎发生过程中（图1），受精卵首先不对称分裂产生一个较小的顶端细胞，该细胞垂直分裂产生原胚，然后一个较大的基底细胞水平分裂产生连接胚胎和母体组织的胚柄。最上面的胚柄细胞后来被指定为根分生组织的始发细胞，称为垂体。垂体不对称分裂产生一个上部的晶状体形状的细胞，该细胞随后成为静止中心(QC)和一个下部的基底细胞，由其衍生出小柱干细胞和小柱。原胚同时为根的维管、基底和表皮组织提供干细胞。因此，在胚胎发生过程中根的形成涉及两个胚极之间的协调。

胚胎WOX表达

已经证明一些因子与胚根的形成有关。WUSCHEL相关同源异形盒转录因子家族(WOX)和编码转录因子(TFs)在胚胎发生过程中，从单细胞受精卵到八细胞胚胎期以动态和部分重叠的方式表达（图1a）。在胚胎发生过程中，WOX表达与细胞命运决定相一致，这表明WOX、TFs介导的ene调控是这些决定的基础。然而，这些WOX转录因子的突变并没有导致强烈的胚胎表型，这表明在胚胎模式中还有其他因素与WOX一起发挥作用。进一步的实验可能会确定这些因素，并确定WOX通路在胚胎发生过程中细胞命运决定的确切作用，以及它们与植物激素生长素的参与情况。

生长素调节胚胎根的形成：

许多控制胚胎根形成的因素都与生长素有关。例如，生长素运输、感知或合成的遗传扰动会阻止胚根的形成。MONOPTEROS是编码生长素诱导的TFs的23个ARF基因之一，ARF活性被生长素和吲哚-3-乙酸抑制。BDL/IAA12的显性突变使其对生长素依赖的降解不敏感，并导致与mp/arf5类似的根表型。

尽管MP/ARF5和BDL/IAA12相互作用并参与垂体的规范，但这些蛋白并不在垂体中表达。相反，它们在毗邻垂体的血管细胞中表达，其中生长素诱导BDL/IAA12降解，从BDL/AA12和TOPLESS的共转录抑制中释放MP/ARF5。MP/ARF5的这种去抑制允许PINI的上调，PINI是一种被认为是引导生长素从基部流入垂体的生长素转运体，反过来，MP/ARF5的解抑制允许PINI的前血管细胞上调。反过来，pin1介导的植物生长素在垂体中的积累被提出通过在垂体中表达的额外的植物生长素响应的Aux/IAA和ARF对的作用来影响垂体的功能。潜在的候选的Aux/IAAs和ARFs表达的胚胎参与垂体规范正在出现。

近年来，微阵列技术揭示MP(TMO)基因的靶基因，它介导了从原胚到垂体的信号传导。四个TMO基因(TMO3，-5，-6和-7)与MP在毗邻垂体的原胚胎前血管细胞中共表达。其中两个基因(TMO5和TMO7)编码基本的螺旋-环-螺旋的TFs，是功能性的、直接的MP靶点，因为它们的启动子直接与MP结合。此外，在mp突变体中TMO5或TMO7的表达部分地挽救了mp无根表型。这表明这些基因是MP重要的下游靶点。令人惊讶的是，Schlereth等评估了TMO5和TMO7的表达模式，他们发现TMO7蛋白而不是TMO5在垂体中表达，并且当TMO7被敲碎时影响了垂体的分裂。进一步的实验表明，TMO7蛋白从前血管细胞的细胞质和细胞核转移到垂体细胞核。这种TMO7运动提供了一种机制，使MP对垂体发挥其非细胞自主作用。

生长素运输的化学抑制也会干扰垂体的规范和根形成，在胚胎发生过程中符合根形成转运蛋白的作用结合的定位销和生长素作用，这一观点使描述生长素积累和运输的建立在顶端-基轴和脑下垂体模型得以提出（图1）。在双细胞阶段，基底细胞中的PIN7促进生长素向顶端细胞的运输，以产生最大的生长素反应。在胚胎发育的球形阶段之前，PIN7位于基底细胞系的胚柄细胞顶端。这种定位使生长素在原胚中达到最大值（图1a）。在球形早期，当PINI同时定位到原胚内细胞的基底膜和PIN7重新定位于胚柄细胞的基膜时（图1b），推测垂体中生长素反应达到最大值。因此，PIN1的前血管定位结合PIN7极性的逆转可能在胚胎发生过程中指定在下胚层，并导致根的形成。

其他激素调节胚根的形成

尽管生长素起着关键作用，但它不足以形成根。这是因为合成报告所检测到的生长素反应不特异于垂体前体细胞，不足以指定垂体。可视化的合成报告中，细胞分裂素反应是特异性检测在垂体及其顶端子细胞（图1b）。这一发现表明，细胞分裂素调节垂体和随后的胚根的产生。有趣的是，合成报告显示生长素的反应与细胞分裂素的反应相反。生长素反应存在于垂体细胞的不对称分裂产生的基底子细胞中（图1b）。此外，生长素在基底垂体细胞中诱导了两个抑制细胞分裂素反应的调控因子——拟南芥反应调控因子ARR7和ARR15。因此，在垂体细胞分裂的特定时空背景下，生长素和细胞分裂素的拮抗作用调控着根分生组织的建立。

除了细胞分裂素和生长素，其他激素/调节因子也可能在胚胎发生过程中影响根的形成。有趣的是，MP的直接靶点TMO5和TMO7先前被鉴定，分别与细胞分裂素、赤霉素和油菜素类固醇的应答和信号转导有关。这一发现表明，其他激素和生长调节剂在垂体规范中起作用，它们之间的相互作用对根的形成很重要。事实上，油菜素内酯和生长素之间的相互作用与这一过程有关。已分离出影响这两种因子信号传导的突变体，也表现出下体规范的缺陷，如油菜素类固醇不敏感的1-ems抑制因子与myc样蛋白和短根相互作用。未来的研究应该确定额外的因素涉及胚胎事件导致垂体细胞的规范和分裂，并确定这些因素如何与激素信号整合协调根的形成。

形成根尖分生组织

在胚胎发生期间建立的RAM为生长的根提供了新的细胞;它包含一组初始细胞(干细胞)，它们围绕着QC(一组有丝分裂活性较低的细胞)。这些共同形成了干细胞龛，在概念上与在动物中发现的相似（图2a）。位于QC向芽和外侧的干细胞产生维管细胞、内胚层细胞、皮层细胞、表皮细胞和侧根帽细胞(LRC)。而QC向根面的干细胞产生小柱根冠。干细胞子产生单细胞，沿纵根轴延伸并形成不同的组织层。与我们的直觉相反，尽管成熟的组织类型具有不同的细胞谱系，并且来源于单个初始细胞，但是细胞位置决定了细胞的定位而不是细胞谱系。

干细胞龛

QC对于规范干细胞龛和维持干细胞原始细胞的未分化状态至关重要，QC身份由两条平行的途径指定：PLETHORA（PLT）途径和SHR（SHR）/SCARECROW（SCR）途径。这些基因的功能缺失的等位基因导致QC身份的丧失和根生长的提前终止。PLT基因编码AP2结构域转录因子，而SHR和SCR编码GRAS转录因子家族。最高水平的PLT蛋白发现在干细胞龛，他们促进那里的细胞分裂。SHR从中柱移动到相邻的细胞层，激活SCR转录。SCR在QC中的表达通过细胞自治机制维持QC和干细胞的特性。不同增强子捕获QC标记的表达模式在PLT中发生改变，表明这些基因通过平行机制调控干细胞生态位。

QC细胞似乎产生了一个短期信号来维持干细胞的特性，因为干细胞直接接触激光杀伤的QC细胞就会分化。这一信号可能WOX5或其直接靶点，因为WOXSis在QC中表达，并且需要非细胞自主阻止干细胞分化。WOX5作用于SHR和SCR的下游，而不是PLT蛋白。将WOX5的表达限制在QC中，通过一种类似于茎的机制调节干细胞池的大小:CLAVATA3/胚胎周围区(CLE)肽CLE40通过受体样激酶拟南芥CRINKLY4(ACR4)将WOX5的表达排除在QC之外。干细胞特性的其他调节因子包括被称为根分生组织生长因子的小肽，它通过转录后调控PLT蛋白促进胚胎后期干细胞龛的维持；以及JACKDAW(JKD)，一种C2H2zincfingerTF，是QC中SCR表达所必需的。JKD表达本身依赖于SCR，表明这两个监管机构之间的复杂反馈。

中柱

植物的维管系统包括木质部和韧皮部，它们负责运输重要的水分和营养物质(木质部)，并进行光合作用(韧皮部)。在拟南芥的根中，维管组织是一个中央柱体或中柱。包括木质部和韧皮部，穿插着未分化的原形成层细胞和周围的中柱鞘层（图2b）。这些组织来自QC近端中柱鞘/血管。维管系统在初生生长时呈纵向生长，在次生生长时呈放射状生长。根的外组织呈放射状对称，而中柱是双侧对称的。拟南芥成熟根的横切面显示木质部细胞的中轴，极部为原生木质部，中心为木质部。在木质部轴垂直的极处有两个分生束。LONESOMEHIGHWAY(LHW)是这种双边对称的关键调节器。在lhw突变体中，只形成单个木质部和韧皮部极点。

韧皮部由韧皮部/原形成层初始细胞的不对称分裂产生的筛分成分和伴生细胞组成。APL促进了韧皮部的发育，同时也抑制了木质部的特性。在apl突变体中，韧皮部的特性消失了，具有木质部特征的细胞出现在韧皮部极点。

木质部分为原生木质部和木质部两种类型，在结构和功能上有所不同。原生木质部细胞有螺旋状细胞壁增厚，细胞较小，分化较早，通常在植物成熟时被破坏;而甲基木质部细胞有坑状细胞壁增厚，分化较晚，细胞较大，形成植物的输水导管。木质部的正确模式取决于SHR提供的位置信息，因为在SHR和SCR突变体中，甲基木质部异位分化替代取代原生木质部。Carlsbecker等研究表明，SHR从中柱进入内皮层后，其激活SCR允许SHR/SCR激活miR165/166表达。反过来，miR165/166回到中柱，抑制中柱外周HD-ZIPIII的表达。HD-ZIP的表达量决定了木质部的类型:高水平的HD-ZIP促进木质部的形成，而低水平的HD-ZIP促进原生木质部的形成。5个HD-ZIP转录因子的功能丧失导致木质部细胞的完全丧失，表明这些基因对木质部的特性至关重要。与维管相关的NAC-DOMAIN蛋白6(VND6)和vnd7对木质部的发育也有重要意义。VND6的异位表达可诱导异位木质部的形成，而vnd7的异位表达可诱导异位原生木质部的形成。进一步研究这些基因的直接大小以及木质部前体细胞和木质部分化细胞中富集的基因，将可能为进一步研究木质部组织发育和分化的机制提供依据。

细胞分裂素在血管模式中也起着重要的作用。CRE细胞分裂素受体基因突变(单独或与细胞分裂素受体AHK2和AHK3联合)结果形成更少的原形成层细胞。同样，作为细胞分裂素活性的抑制剂，拟南芥组氨酸磷酸化转移蛋白6(AHP6)可以促进原生木质部的特性。因此，细胞分裂素信号转导对韧皮部和子叶细胞类型的确定至关重要。

基本组织

皮层和内胚层细胞来源于皮层/内胚层初始细胞(CEI)，这些细胞背斜分裂再生并产生CEI子细胞(CEID)。然后CEID细胞沿周向分裂，产生内胚层和皮层前体(图2c)。在这一过程中起关键调节作用的TFs、SHR和SCR，首先根据它们的短根突变表型分离出来。SHR和SCR突变体都有单一的基底组织层，控制了CEID细胞的不对称分裂。在SHR突变体中，这一层基底组织仅显示皮层特征，而在SCR突变体中，它同时具有内皮层和皮

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