逆境信号调控植物干细胞命运的分子机制

A complex regulatory network, including WUS-CLV3 negative feedback loop, auxin and cytokinin signaling pathway, controls the maintenance and differentiation of plant stem cells in shoot apical meristem. Little is known about whether other signals are involved in the regulation of stem cell function. Here, we generate a high resolution profiling of shoot apical meristem by using an mpclv3 double mutant in which plant stem cells were drastically enriched but the differentiation of stem cells was blocked. To our astonishment, we found that stress/stress hormone signaling was over represented in stem cells and niche. More importantly, the stem-cell key regulator WUS was significant induced by stress hormone treatment, and most of stem-cell niche specific genes responded to stress treatment. All these results indicated that the stress/stress hormone signaling pathways were probably involved in the regulation of stem cells maintenance and differentiation. Based on our present data, we will focus on the 10 stem-cell-specific and stress related transcription factors that we have obtained, and analyze the regulatory network and molecular mechanism of stress/stress hormone signaling in stem-cell regulation by using the omics, molecular genetics and bioinformatics methods.

植物茎顶端干细胞的维持与分化依赖于其微环境中复杂的信号调控网络，如WUS-CLV3负反馈循环、细胞分裂素和生长素信号的互作。是否还有其他信号整合到干细胞功能的调控则知之甚少。我们通过对一个干细胞富集且分化受阻的突变体mpclv3进行的转录组分析，得到了植物干细胞及其微环境的全基因组表达谱。通过生物信息学分析发现，逆境/逆境激素信号在干细胞微环境中富集。进一步的研究表明，微环境表达的干细胞重要调控基因WUS受逆境激素信号的诱导。与此同时我们还发现，大部分已知的干细胞微环境特异表达基因也受逆境信号的调控，说明逆境信号可能参与了干细胞维持与分化的调控。本项目将基于这些前期结果，聚焦在我们已经获得的10个干细胞逆境调控转录因子，通过组学、分子遗传学和生物信息学等方法，研究逆境信号/逆境激素信号调控干细胞维持与分化的分子机制和调控网络。

植物干细胞的维持依赖于其微环境中多种信号分子的调控，例如细胞分裂素和生长素信号。干细胞功能的调控是否涉及到其他信号分子则知之甚少。干细胞研究的一个主要瓶颈在于干细胞数目非常少，这使得利用组学解析活体干细胞命运维持机制及其调控网络变得极为困难。为了突破这一瓶颈，我们构建了一个自然生长状态下干细胞显著富集、而分化细胞明显减少的突变体材料mp clv3。通过对该干细胞富集突变体进行转录组测序，建立了植物茎顶端分生组织高分辨率的基因表达谱，预测了3017个在植物干细胞及其微环境特异表达的基因。通过对上述表达谱的生物信息学分析，我们发现在正常生长条件下，多种与逆境相关的信号在干细胞微环境中大量富集。进一步的研究表明，绝大部分已知的干细胞微环境特异表达基因，包括干细胞维持的关键基因WUS和CLV3，受逆境和逆境激素信号的调控，说明逆境信号参与了干细胞维持与分化的调控。我们将这种在正常条件下参与干细胞调控的信号定义为“内源逆境相关信号”（ESS）。通过聚焦其中的主要成员乙烯，我们发现乙烯关键转录因子EIN3及同源基因，在干细胞微环境中直接激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。当植物遭受到外界逆境胁迫后，AGL22作为早期响应胁迫的中心转录因子，一方面启动植物对逆境胁迫的响应，另一方面能够阻断干细胞分化和推迟开花，调控了植物在逆境条件下的可塑性发育，平衡了植物的发育和抗逆进程。我们首次定义了调控干细胞命运的ESS信号，建立了ESS信号整合內源和外源信号调控植物可塑性发育的理论框架。