Day18

文献分享第7篇

植物具有强大的再生能力以适应严苛的自然环境。植物受到损伤后根器官的重新形成称为根的从头再生（DNRR）。DNRR在农业上有许多应用如通过扦插的营养繁殖等。在许多人为诱导的DNRR体系中，外源添加生长素能促进根的生成。但在自然情况下，植物再生出不定根依赖于内源激素。研究者们为了更好地了解DNRR过程，在模式植物拟南芥中建立了一种模拟自然环境下的生根体系，即在不加外源激素的B5培养基上，利用茎段、下胚轴、离体叶片等再生出不定根。这篇综述以拟南芥离体叶片再生不定根为主要模型，并结合目前多种不定根发生的研究体系，归纳总结出根从头再生过程中的三个阶段和参与其中的两类细胞。三个阶段即，早期信号转导、生长素的积累、细胞命运转变。两类细胞即转化器细胞（将早期感应的信号转换为生长素流输出）、再生潜能细胞（在生长素的影响下可以发生命运转变的细胞）。

Figure1：DNRR的整体框架

PhaseI,earlysignaling

伤口信号、环境信号以及外植体自身的发育状态可作为早期的信号被外植体感知。能感知这些信号的如叶肉细胞、叶边缘细胞、部分维管细胞等称为“转换器细胞”（Fig.1f）。伤口信号可以分为短期和长期的两种。短期的伤口信号在叶片离体时就发挥作用，这个信号可能在叶片中从伤口处转移到“转换器细胞”。目前的研究认为至少存在两波短期伤口信号。第一波是对伤口做出的迅速的物理和化学响应，包括等离子体跨膜电位和细胞内Ca2+浓度的变化以及H2O2的产生。第二波有许多植物激素发挥了作用，如JA和乙烯。一些研究表明，植物再生出不定根需要Ca2+和H2O2的参与。但这些早期的物理和化学信号通路以及下游的靶标是怎样的？植物激素如何作为伤口信号的？第一波信号是否影响第二波伤口信号等问题仍需进一步探索。有研究称，短期的伤口信号可能在叶片离体的几小时内促进“转换器细胞”中生长素的生物合成。长期的伤口信号能够持续两天以上的时间，通常能在伤口处发挥多种功能。一种功能是激活伤口处细胞NAC1的表达，可能调节细胞内环境从而促进不定根的生成。另外一种功能是在叶片离体2d左右激活伤口附近“再生潜能细胞”中YUCCA4(YUC4)的表达，从而可能具有维持生长素水平的功能。“转换器细胞”也能整合外源的信号，如光、温、胁迫等都能影响外植体不定根的生成。例如黑暗处理能够诱导叶片外植体“转换器细胞”中YUC5/8/9的表达以增强外植体中生长素的生物合成和再生能力。外植体的生长状态也是影响不定根生成的重要因素，例如幼嫩的叶片比成熟的叶片再生能力强，有趣的是，外源添加生长素能部分回补因叶龄所造成的再生能力的差异，表明因叶龄造成的再生能力的降低，部分是因为生长素合成或者转化不足造成的。此外有研究表明，从幼苗到成苗转变所造成的再生能力的下降是受到miR和SQUAMOSAPROMOTERBINDINGPROTEINLIKE(SPL)基因调节的。早期输入进“转换器细胞”的是一个复杂的信号，功能之一是促进该细胞中生长素的合成，但也可能具有其他的功能。

PhaseII,auxinaccumulation

生长素是DNRR过程中的关键激素。当在培养基中添加L-kynurenine(Kyn)、yucasin(生长素合成途径中的抑制子)或者NPA（生长素极性运输的抑制子）时外植体不能正常生根（Fig.1e）。所以外植体中生长素的动态积累来说生长素产生和运输是非常关键的环节。在叶片离体4h左右，“转换器细胞”在早期信号的影响下开始合成生长素。许多基因参与生长素的生物合成如TAA基因家族和YUC基因家族。这两个家族的许多成员参与从色氨酸到生长素合成的两个连续的步骤。YUC基因对早期信号敏感；TAA基因在叶片离体前后持续表达；ASA1基因（参与色氨酸的生物合成）也可能在短期伤口信号的诱导下表达。大约在叶片离体12h时，生长素在“再生潜能细胞”（靠近叶片外植体伤口处的维管中的原形成层和部分薄壁细胞）中积累，用NAP处理后发现生长素在“转换器细胞”中积累，表明生长素是由“转换器细胞”转移到“再生潜能细胞”中去的。但目前仍不清楚为什么生长素会通过极性运输的方式从“转换器细胞”运输到伤口附近的“再生潜能细胞”中去。但极性运输的方式或许能够解释为什么DNRR总是发生在外植体的形态学下端。一项对于拟南芥下胚轴切段的ABCB19（ATP-BINDINGCASSETTEB19）的研究表明，该蛋白参与不定根生成过程中生长素的转运。因此，“转换器细胞”的主要功能是将早期的输入信号转换为生长素流输出，但生长素流的强度受到外界信号和外植体自身生长状态的影响。

PhaseIII,cellfatetransition

生长素运输进“再生潜能细胞”后会激发该细胞命运的转变。除“再生潜能细胞”外，叶片外植体的其他细胞并不会发生命运的转变。在茎的外植体中，只有维管中的原形成层细胞能进一步转化为根细胞，在这其中肯定有一些机制能够区分“再生潜能细胞”和别的类型的细胞。在用auxinole（生长素信号通路抑制子）处理外植体后，“再生潜能细胞”不能发生命运转变，表明这个过程是受到生长素信号通路的影响的。基于前人对“再生潜能细胞”转变为不定根和侧根的报道，作者将这个过程分为四个步骤（Fig.1f）。第一步是“priming”即在叶片离体的1-2d时，生长素激活WUSCHELRELATEDHOMEOBOX11(WOX11)或者12的表达，从而将“再生潜能细胞”转换为“根创始细胞”，这一步不涉及细胞分裂，WOX11和12是两个部分冗余的基因，水稻中的同源基因与毛状根的生成有关。在WOX11的启动子区有许多生长素相应元件(AuxREs），缺失这些元件后，该基因对生长素的处理不敏感，表明该基因可能是生长素信号通路的靶基因。第二步是“initiation”,在叶片离体2-4d时，“根创始细胞”不仅会发生命运转变而且会发生细胞分裂从而形成具有几个细胞层的圆顶状的根原基。许多与细胞周期相关的基因被激活，但诱发“根创始细胞”分裂的机理仍不清楚，有报道称独脚金内酯可能抑制“根创始细胞”的分裂。对于细胞命运的转变，WOX11/12能激活WOX5/7和LATERALORGANBOUNDARIESDOMAIN16(LBD16)的表达。WOX5/7和LBD16的共表达可以作为不定根原基细胞形成的分子标记。WOX11/12能直接结合在WOX5/7的启动子区的顺式作用元件上来调节其的转录。第三步是“patterning”即根原基通过不断的细胞分裂形成根顶端分生组织。在这一步细胞不断分化具有不同功能的分生组织。第四步是“emergence”即在成熟的不定根尖端形成叶片外植体的表皮。

由“再生潜能细胞”到不定根的形成是一个有序、有组织的细胞命运转变过程（Fig.1f）。细胞命运转变的前两个步骤在成体干细胞中似乎是一个连续的转变，后两个步骤是分化的环节，所有的根分生组织细胞都是经过细胞分裂和分化的根原基的后代。在叶片中，原形成层和一些维管薄壁细胞是植物正常发育过程中形成维管的干细胞，在损伤后也具有潜在的再生能力。“再生潜能细胞”、“根创始细胞”和根原基细胞可视为成体干细胞的不同发育阶段。“根创始细胞”是“再生潜能细胞”的激活状态，只存在很短的时间，并且能产生根原基细胞。

总的来说，外植体形成不定根的形成至少经历三个阶段。这三个阶段是紧密相连以保证信号的连续传递。但目前对于DNRR的了解仍处于初级阶段，还有很多有意思的问题有待于探讨。

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