生长素和细胞分裂素调节离体器官发生的分子调控网络

Unlike most animal cells, plant cells can easily regenerate a full array of tissues from a small piece of adult tissues (explant) under in vitro culture conditions with plant hormones. Although it is widely believed that any living plant cells can divide to form new tissues, little is known about the cellular origin of the de novo regenerating organs and the molecular mechanisms providing the cells with such high plasticity. The proposal here is to study the molecular mechanisms of the de novo organogenesis induced by hormones, using the somatic embryo induction system as well as the in vitro shoot and root regeneration systems in Arabidopsis. Because plant organs are derived from stem cells, we will analyze the morphological and cytological characteristics of de novo regenerated stem cells. Then, we will study the interaction of auxin and cytokinin which mediates stem cell formation during de novo organogenesis. At last, we will use cell-type specific transcriptome and epigenome analyses combined with genetic and biochemical data to identify key factors that regulate origin of the stem cells, by which gene regulatory networks of de novo organogenesis can be established. The results of the proposed studies will be a new and detailed explanation for the mechanisms of hormone-regulated plant organ regeneration. The results will reveal the characteristics and origin of the newly discovered population of stem cells during de novo organogenesis and the molecular mechanisms of stem cell induction, and also provide the important information to understand the hormone-regulated mechanism of plant cell totipotency.

植物细胞与多数动物细胞不同，它们能在植物激素的作用下从作为外植体的成熟组织中产生一团愈伤组织，进而愈伤组织的某些细胞可被激素诱导分化产生各种类型的器官。尽管任何活的植物细胞都具有分裂并形成新器官的能力，但对于离体条件下器官的细胞起源以及分子机制却了解很少。本项目拟利用拟南芥体细胞胚、离体芽和离体根的再生系统，深入研究激素诱导植物器官离体再生的机制。由于植物器官来源于干细胞，因此将首先研究生长素和细胞分裂素调控干细胞分化形成的形态学和细胞学特征；其次研究生长素和细胞分裂素相互作用调控干细胞形成的分子基础；然后通过转录组学、表观组学的研究并结合遗传和生化分析结果，分析寻找调节愈伤组织中干细胞起始的关键因子，建立激素调控离体器官发生中干细胞形成的分子网络。本项目的研究成果将会对激素调节植物离体器官再生机制有一个全新的认识，为进一步深入理解植物细胞全能性提供重要信息。

植物细胞具有分裂并分化形成新器官的能力，但对于离体条件下器官的细胞起源以及分子机制却了解很少。我们建立了特色的不经过愈伤组织直接诱导子叶叶表皮细胞转化体细胞胚的离体发生系统。通过研究体细胞胚的起始过程发现，该体细胞胚是单细胞起源的。利用合子中特异表达的胚胎特征基因SERK1作为标记基因，荧光捕获体细胞胚胎发生早期的单细胞原胚，与获取的单细胞原胚周围的细胞进行对比，进行RNA-seq分析，鉴定出决定子叶细胞转分化为体细胞胚的关键决定因子WIC2，对其调控合子胚胎发生的功能和表达模式进行了初步分析。. 在离体芽发生过程中，细胞分裂素反应调节因子通过直接结合生长素合成相关基因的启动子区域，抑制该类基因在WUS基因将要表达的区域转录，从而诱导WUS基因的表达和干细胞的形成。我们还发现，生长素信号途径中的转录因子能够相互作用而形成复合物，对于干细胞的形成和茎端分生组织的发生具有重要调控作用。通过研究芽再生的表观遗传调控机制，我们发现DNA甲基转移酶MET1可通过抑制WUS的功能调控芽的离体发生，而细胞周期转录因子E2FA可以直接结合到MET1的启动子上调控其表达。细胞分裂素可通过诱导CYCD3的表达促进MET1的表达，说明细胞分裂素可通过细胞周期介导MET1的表达调控芽的再生。. 我们通过图位克隆技术鉴定出调控不同生态型拟南芥离体芽发生的关键基因DCC1。dcc1突变体离体芽发生受到严重抑制，愈伤组织中H2O2的水平升高；而H2O2水平越高的生态型，其离体芽发生的能力越低。说明DCC1介导的活性氧清除影响不同生态型拟南芥离体芽发生能力。. ABA被认为在种子晚期发育过程中发挥了重要的调控过程，但其在种子早期发育中的作用尚不清楚。我们发现ABA合成基因ABA2突变以后造成ABA含量下降，突变体的种子体积增大，胚的细胞数目增加。ABA2与种子发育调控基因SHB1具有上下游调控关系。ABA信号转导关键因子ABI5能够直接结合到SHB1的启动子区域调节该基因的表达。因此，ABA通过其信号转导途径调控种子胚胎的早期发育。. 本项目的研究成果对生长素和细胞分裂素等激素调节植物离体器官再生机制有一个全新的认识，为进一步深入理解激素调控的植物细胞全能性提供重要信息。