WOX1和WOX3调控拟南芥叶片中-边极性建立的分子机理研究

Organogenesis is a fundamental problem of developmental biology. Leaf is one of the most typical organs of a flowering plant. The key event in leaf development is the acquisition of the adaxial-abaxial, proximal-distal and centro-marginal polarity, which optimize the function of photosynthesis. The understanding of the molecular mechanism of leaf adaxial-abaxial patterning has been expanded through molecular and genetic studies recent years. However, how central-marginal leaf polarity is specified remains largely unknown. The outgrowth of the leaf in central-marginal axis results in the formation of a flat lamina, which enabling maximum light capture. Previous studies have identified two WUSCHEL RELATED HOMEOBOX genes (WOX1 and WOX3) that are expressed at the middle domain of lateral organ primordia and regulates the formation of central-marginal polarity. However, the underlying mechanisms of how they regulate leaf central-marginal patterning are poorly understood. In this project, we plan to analyze the regulatory network upstream of WOX1 and WOX3 in leaf centro-marginal polarity specification. We have obtained some possible upstream regulatory factors in the preliminary studies and the regulatory mechanisms will be analyzed in this project.

器官的形态建成是发育生物学的一个基本问题。叶片作为植物最具代表性的器官，具有明确的背-腹、中-边、基-顶极性，从而形成一个三维的结构。叶片极性的建成是叶片功能的基础，确保叶片能够有效进行光合作用，因此一直是发育生物学研究的重点。近年来的分子遗传学研究初步揭示了背-腹轴极性建成的分子机制，但是对于中-边轴的建成还了解不多。中-边轴的发育导致叶片扁平，极大地增大了光合作用的面积。最近发现拟南芥中两个WOX (WUSCHEL RELATED HOMEOBOX) 基因在叶片中部特异表达，调控叶片的中-边轴建成。然而我们对于它们如何实现细胞特异的表达，以及它们调控哪些下游基因以实现中-边轴的建成和叶片发育都知之甚少。本研究拟通过系统生物学和基因组学手段，系统解析WOX1和WOX3两个中-边轴建成关键基因的上游调控网络。我们在初步研究中已经获得一些可能的上游调控因子，拟在进一步研究中深化其调控机制。

叶片是植物进行光合作用的主要器官。为了最大限度提高光合能力，高等植物的叶片进化出了具有极性（即不对称性）的扁平的形状。虽然叶片的展开对于高效光合至关重要，我们尚不了解叶片原基如何在发育过程中展开以形成扁平结构。在前期的研究中，焦雨铃研究组发现叶片原基中存在生长素浓度差异，近轴面（叶片靠近茎尖一侧，即背面）生长素浓度低，远轴面（腹面）生长素浓度高（Qi et al., 2014, PNAS 111:18769-18774）。通过对生长素、生长素信号转导通路下游的响应因子进行精细成像，我们进一步发现生长素与下游响应因子MP仅存在部分重叠，从而在近-远轴面之间的中间区界定了高生长素信号。进而，MP可以直接激活WOX1和PRS在中间区特异的表达。WOX1和PRS是中间区形成的决定因子，是叶片向两侧展开的关键。此外，叶片远轴面特异表达的生长素通路下游响应因子ARF2、ARF3和ARF4则直接抑制WOX1和PRS在远轴面区域的表达。MP和ARF2/3/4的共同作用使WOX1和PRS在叶片中间区域特异表达，从而使叶片能够展开。上述结果阐述了叶片形成过程中，近-远轴极性通过生长素信号通路介导转换为中-边轴极性，从而使叶片展开的分子机制。