拟南芥ECF1控制体细胞愈伤组织形成分生能力的分子机制解析

Callus induction is initial for plant somatic cell regeneration. Recent studies showed that auxin-induced callus formation originates from the pericycle or pericycle-like cells via a root developmental pathway to acquire stem cell characteristics and regeneration capacity. However, the underlying mechanisms governing pericycle cell competence for callus formation remain elusive. By specific screening of the mutants which form continuous layer of callus in root mature zone, we found that mutation of ECF1 (Enhanced Callus Formation 1), encoding the WD40-class protein, enhanced the pericycle cell competence for callus formation in the entire root. In this study, the spatiotemporal expression of ECF1 and the fate of root cells will be analyzed, thus to clarify the cytological basis of ECF1 in confining pericycle cell competence for callus formation. Further studies will be focused on the effects of ECF1 on auxin and cytokinin responses, as well as expression of key regulators of stem cell and cell competence, such as PLTs, ALF4, in the pericycle cells at the initial stage of callus induction. In combination with the identification of ECF1-interacting proteins and their target genes in the regulation of pericycle cell competence for callus formation, the molecular mechanism of pericycle cell competence for callus formation controlled by ECF1 signaling pathway will be elucidated.

愈伤组织诱导是植物体细胞再生的关键。近期研究表明，生长素诱导的愈伤组织起源于中柱鞘细胞或类中柱鞘细胞,经过类似于根发育的程序获得干细胞特性及再生能力。然而，控制中柱鞘细胞愈伤组织形成分生能力的分子机制仍不清楚。通过特异筛选根部成熟区连贯性形成愈伤组织的突变体，我们发现编码WD40类蛋白的ECF1（Enhanced Callus Formation 1）突变导致整个根部中柱鞘细胞愈伤组织形成分生能力增强。本项目拟通过ECF1时空表达模式及根各层细胞命运分析，明确ECF1控制中柱鞘细胞愈伤组织形成分生能力的细胞学基础。进而分析愈伤组织诱导早期ECF1对中柱鞘细胞生长素及细胞分裂素响应、干细胞及细胞分生能力关键调控因子PLTs、ALF4等表达的影响，结合ECF1互作蛋白及其靶基因在调控中柱鞘愈伤组织形成分生能力方面功能鉴定，解析ECF1信号通路控制中柱鞘细胞愈伤组织形成分生能力的分子机制。

植物已分化的体细胞具有全能性，能够在体外诱导条件下脱分化形成愈伤组织，获得干细胞特性并最终分化再生形成完整个体。然而，内、外源因子如何调控植物体细胞命运及其愈伤组织形成及再生能力的分子机制仍有待解析。我们前期通过正向遗传筛选发现介导光信号通路的WD40类E3 ligase ECF1（enhanced callus formation 1）突变导致拟南芥根部中柱鞘细胞愈伤组织形成能力增强。本项目中，通过DIC及对ecf1突变体中细胞命运标记株系的组织细胞学分析，发现ECF1通过限制中柱鞘细胞分生能力调控其愈伤组织形成及再生能力，且该过程受光调控。与WT相比， ecf1突变体愈伤组织形成能力在黑暗条件下不受抑制，且白光、红光及远红光处理下其愈伤组织形成能力增强，强蓝光处理却抑制其愈伤组织形成能力，表明ECF1介导的细胞再生能力调控机制与光信号转导通路存在复杂调控网络。组织表达模式分析表明，ECF1在根部也具有广泛表达，光照处理导致ECF1蛋白表达降低，CIM处理导致其蛋白表达略微降低，表明ECF1受光信号调控参与限制中柱鞘细胞愈伤组织形成能力。互作蛋白筛选结果发现ECF1与生长素及细胞分裂素信号通路的IAA19、IAA28、ARF7、ARF19以及调控愈伤组织形成的bZIP59、WOX9、WOX13、E2Fa等存在互作，暗示ECF1可能通过结合并促进上述因子降解以限制体细胞分生能力。进一步转录组学及激素响应分析结果表明，ECF1通过调控蛋白加工与降解、细胞壁松弛、微管动态、光信号以及生长素、细胞分裂素合成及响应基因表达限制体细胞愈伤组织形成分生能力。整体而言，上述研究首次鉴定并系统解析了ECF1介导光环境调控体细胞愈伤组织形成分生能力的分子机制，部分解答了植物体如何响应内、外源环境因子严谨地控制其体细胞再生命运的基本生命科学问题，也为提高作物遗传改良再生效率提供了理论支撑。