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浅述植物茎顶端分生组织发育的调控机制

植物茎顶端分生组织（shoot apical meristem，SAM）是植物地上部分生长发育的基础，其中包含的干细胞（SC）通过分裂和分化形成了植物地上部分的各个器官。其发育和维持具有极其复杂的调控网络和信号传导途径使干细胞维持着细胞分裂和分化的平衡。本文选取部分重要调控通路进行简要介绍。

1 基因调控通路

植物顶端分生组织的正常形成需要许多相关基因的参与，其中起决定性作用的是WUS /CLV3 反馈抑制途径。

1.1 WUS 及其调控基因

拟南芥（Arabidopsis thaliana）中的WUS（WUSCHEL）基因在植物的16细胞期开始表达，并在SAM中的中心区L3层和更下层的10个细胞表达。WUS编码一个转录因子，其功能丧失会导致干细胞在形成器官原基的过程中消失，从而导致SAM活动过早停止。另一方面，WUS过度表达会导致干细胞过多，从而保持了SAM中干细胞数量的平衡，确保了干细胞区域细胞分裂和分化之间的稳定。最近的研究结果已经证明，WUS基因表达产生的信号可以通过运输进入干细胞中并发挥作用。[1-2]

CLVATA3（CLV3）基因在SAM干细胞区域特异表达，并且其表达区域与WUS在L3层中的表达区域重合。当CLV3缺失时，导致WUS表达区域扩大，从而导致SAM膨大。而当CLV3过度表达时，会导致SAM活动过早停止，其表型类似于WUS缺失的植株。这表明，SAM中的组织中心标记基因WUS能够促进CLV3的表达，而CLV3则可以抑制WUS的表达。这两者形成了一个负反馈调节环，成为SAM中干细胞区域基因调控网络的中心环节（见Fig1）。

在这条调控通路中，CLV3作为信号分子通过CLV1、CLV2、CORYNE(CRN）共同组成通路向下传递，对WUS的表达发挥抑制作用，CLV1、CLV2、CRN组成的大量信号通路保证了CLV3信号的传递效率。WUS表达形成的信号因子转运至干细胞并在干细胞中梯度分布而维持干细胞活性，内周边区的细胞能接受这种信号因子发生脱分化回到干细胞状态，从而维持干细胞数量的稳定。[2]

此外，WUS的启动子还受到染色体重塑因子BARD1和SYD的调控。WUS表达的激活受到SYD染色质重塑因子的直接调控，SYD编码一种ATP酶，可促进DNA模板形成转录结构而启动转录，BARD1编码的蛋白具有磷酸化依赖性，在SAM结构的维持方面发挥功能。BARD1突变使WUS只在组织中心边缘表达，破坏SAM结构。BARD1蛋白不仅与WUS启动子存在直接作用，还与SYD之间有互作关系，说明BARD1通过抑制染色质重塑过程影响WUS表达。[1]

1.2 KNOX pathway

SHOOT MERISTEMLESS(STM）也是在SAM干细胞维持中发挥重要功能的转录因子，编码ClassI KNOX(knotted1－like homeobox）家族的蛋白。STM在分生组织的各个部位表达，发挥抑制细胞分化的作用

SAM中STM和WUS的作用互补：STM阻止细胞分化，WUS使一部分细胞特化为干细胞。STM和WUS的共同作用保持着SAM中干细胞增殖和器官原基形成的平衡，是维持SAM正常活动的重要保证。同时WUS蛋白也能够与STM直接相互作用形成异源二聚体，共同结合到下游基因CLV3的启动子上。该二聚体能进一步增强与CLV3启动子的结合强度，并激活其表达，从而增强茎端干细胞的活性。（见Fig 2）[2][4]

2 表观调控

SAM发育相关基因的表观遗传学变化对SAM的发育和维持有巨大的作用。在拟南芥和水稻的茎尖分生组织（SAM）中检测到H3K27me3分布得整体差异，研究发现WUS相关基因WOX11和H3K27me3去甲基化酶JMJ705相互作用，共同控制茎尖生长，共同调控茎尖分生组织特征、叶绿体生物发生和能量代谢等一系列基因的表达。[5]

同时在水稻中，发现敲低PRC2基因会导致营养和生殖顶端分生组织发育缺陷。研究表明转录调控因子PRC2及其相关蛋白通过维持H3K27me3会抑制分生组织的KNOX1基因、分生组织干细胞维持基因WUSCHEL (WUS）以及根干细胞和分生组织标记基因WOX5的表达，从而参与SAM的建立和维持。[6]

3 激素调控通路

在SAM的发育过程中，多种植物激素在其发挥调控作用，各激素之间的平衡共同为SAM提供了一个良好的生长环境。

3.1 生长素

生长素可以促进茎尖细胞分化，生长素响应因子MP和相关的NON-PHOTOTROPIC HYPOCOTYL 4 (NPH4/ARF7)对于依赖于生长素的胚胎发育模式的形成很重要。这两个基因双突变体的胚胎不能产生子叶。PIN介导的生长素运输的缺失突变体很相似。PIN引导生长素流向与顶端分生组织侧面相接的区域，而中心区则相对缺乏生长素。同时在生长素缺失的顶端中心区MP的表达相对较弱，而顶端分生组织侧面则更强。研究发现侧边器官的生长素转运可以通过生长素转运开关抑制SAM的生长素转运，从而维持SAM生长素的稳态和SAM的大小。此外，WUS基因也能影响生长素调控通路，研究表明WUS通过变阻性控制生长素信号通路和反应途径位点的组蛋白乙酰化导致SAM对生长素分化作用的抗性。[2、7-8]

3.2 赤霉素

SAM中周围区域具有高水平的生长素和赤霉素（GA)，研究发现SAM中的KNOX转录因子家族基因发挥促进细胞分裂素积累和抑制赤霉素积累的作用。这2种植物激素积累分别可以促进细胞分裂和阻止细胞分化。KNOX通过抑制GA20氧化酶活性和刺激GA2氧化酶活性这2个单独的过程阻止赤霉素在SAM的中心区域积累。KNOX基因能够促进叶原基基部GA2氧化酶的表达使赤霉素失活，将激活型赤霉素限制在叶原基中，因此KNOX基因通过阻止赤霉素在SAM中心区域积累而抑制干细胞分化。[1]

3.3 细胞分裂素

细胞分裂素在维持植物顶端分生组织中也起重要作用，细胞分裂素信号可以促进A型反应调节因子ARABI基因的转录，二者之间形成一个负反馈调节系统。WUS直接抑制细胞分裂素应答调控因子ARR7在SAM中的表达，以一种非常精确的方式控制细胞分裂，在顶端分生组织区域，ARR7和ARR15的表达受到细胞分裂素的诱导，受到生长素的抑制。[1-2]

3.4 乙烯

有研究发现，乙烯信号转导途径中的关键转录因子EIN3及其同源基因，在干细胞微环境中直接激活胁迫转录因子AGL22的表达，而AGL22则通过直接抑制CLV1/CLV2，维持了干细胞重要调控基因WUS的表达（见Fig3）。[9]

4 micro RNA

在拟南芥茎尖分生组织中，ARGONAUTE蛋白AGO1和ZLL/AGO10结合miR165/166，调节HDZIP III基因的转录因子的mrna，这对维持干细胞至关重要。HD-ZIP III转录因子的错表达导致多向性发育缺陷。AGO10的突变导致HD-ZIP III转录因子的调控异常，导致部分幼苗顶端出现针状结构，分生组织停滞。[1]

5 Redox control

活性氧（ROS）是植物有氧代谢的副产物，在拟南芥茎尖分生组织（SAM）中，干细胞中O2－的富集激活WUSCHEL基因以维持干细胞活性，而外周区（PZ) H2O2的积累则促进细胞分化。此外，H2O2负向调控干细胞O2－的生成，H2O2水平升高或O2－清除导致干细胞分裂终止。这些结果表明，ROS介导了植物茎干细胞命运的控制，O2－和H2O2之间的平衡对茎干细胞的维持和分化至关重要。[11]

6 总结与展望

SAM的作为植物生长发育中极其重要的一部分，其发育和维持需要大量的功能冗余的调控因子，调控信号网络十分复杂，其中包含多种不同类型的调控因子和相互交叉的调控途径，从而可以保证某个因子功能丧失时同样可以维持SAM正常活动。随着研究不断进展，相信我们对SAM的调控网络会有更加清楚的认知，也能更早利用某些调控因子应用于农业生产研究。

参考文献：

[1] 陈菊移，王鹏凯，陈金慧等.植物茎尖分生组织中的干细胞调控机制研究进展[J].江苏农业科学，2014,42(08):11-14.DOI:10.15889/j.issn.1002-1302.2014.08.176.

[2] 张红卫著. 发育生物学 第3版[M]. 北京：高等教育出版社， 2001.08.

[3] Somssich M, Je BI, Simon R, Jackson D. CLAVATA-WUSCHEL signaling in the shoot meristem. Development. 2016 Sep 15;143(18):3238-48. doi: 10.1242/dev.133645. PMID: 27624829.

[4] Su YH, Zhou C, Li YJ, Yu Y, Tang LP, Zhang WJ, Yao WJ, Huang R, Laux T, Zhang XS. Integration of pluripotency pathways regulates stem cell maintenance in the Arabidopsis shoot meristem. Proc Natl Acad Sci U S A. 2020 Sep 8;117(36):22561-22571. doi: 10.1073/pnas.2015248117. Epub 2020 Aug 24. PMID: 32839309; PMCID: PMC7486707.

[5] Cheng S, Tan F, Lu Y, Liu X, Li T, Yuan W, Zhao Y, Zhou DX. WOX11 recruits a histone H3K27me3 demethylase to promote gene expression during shoot development in rice. Nucleic Acids Res. 2018 Mar 16;46(5):2356-2369. doi: 10.1093/nar/gky017. PMID: 29361035; PMCID: PMC5861455.

[6] Tan FQ, Wang W, Li J, Lu Y, Zhu B, Hu F, Li Q, Zhao Y, Zhou DX. A coiled-coil protein associates Polycomb Repressive Complex 2 with KNOX/BELL transcription factors to maintain silencing of cell differentiation-promoting genes in the shoot apex. Plant Cell. 2022 Jul 30;34(8):2969-2988. doi: 10.1093/plcell/koac133. PMID: 35512211; PMCID: PMC9338815.

[7] Shi B, Guo X, Wang Y, Xiong Y, Wang J, Hayashi KI, Lei J, Zhang L, Jiao Y. Feedback from Lateral Organs Controls Shoot Apical Meristem Growth by Modulating Auxin Transport. Dev Cell. 2018 Jan 22;44(2):204-216.e6. doi: 10.1016/j.devcel.2017.12.021. PMID: 29401419.

[8] Ma Y, Miotk A, Šutiković Z, Ermakova O, Wenzl C, Medzihradszky A, Gaillochet C, Forner J, Utan G, Brackmann K, Galván-Ampudia CS, Vernoux T, Greb T, Lohmann JU. WUSCHEL acts as an auxin response rheostat to maintain apical stem cells in Arabidopsis. Nat Commun. 2019 Nov 8;10(1):5093. doi: 10.1038/s41467-019-13074-9. PMID: 31704928; PMCID: PMC6841675.

[9] Zeng, J., Li, X., Ge, Q. et al. Endogenous stress-related signal directs shoot stem cell fate in Arabidopsis thaliana. Nat. Plants 7, 1276–1287 (2021). https://doi.org/10.1038/s41477-021-00985-z

[10] Du F, Gong W, Boscá S, Tucker M, Vaucheret H, Laux T. Dose-Dependent AGO1-Mediated Inhibition of the miRNA165/166 Pathway Modulates Stem Cell Maintenance in Arabidopsis Shoot Apical Meristem. Plant Commun. 2019 Sep 16;1(1):100002. doi: 10.1016/j.xplc.2019.100002. PMID: 33404539; PMCID: PMC7747967.

[11] Huang H, Ullah F, Zhou DX, Yi M, Zhao Y. Mechanisms of ROS Regulation of Plant Development and Stress Responses. Front Plant Sci. 2019 Jun 25;10:800. doi: 10.3389/fpls.2019.00800. PMID: 31293607; PMCID: PMC6603150.