研究團隊在愈傷組織能再生器官研究獲進展

發布時間：2021-11-17 14:40 原文鏈接：研究團隊在愈傷組織能再生器官研究獲進展

　　組織培養是重要的植物營養繁殖技術，也是基因編輯等現代農業分子育種技術得以應用的基礎。20世紀50年代，由Skoog、Miller奠定的組織培養技術沿用至今（Symposia of the Society for Experimental Biology，11:118–130, 1957）。在兩步法組織培養技術中，第一步是獲取多能性（pluripotency acquisition），即利用高濃度生長素誘導外植體產生具有再生多種器官能力的愈傷組織；第二步是器官發生（organogenesis），即通過高濃度細胞分裂素誘導愈傷組織再生為芽，或通過低濃度生長素誘導愈傷組織再生為根。2010年，Meyerowitz實驗室提出愈傷組織類似于根尖分生組織，開啟了關于愈傷組織在細胞和分子層面的新認識（Developmental Cell，18: 463-471, 2010）。

　　愈傷組織的器官再生能力是植物再生領域的核心科學問題之一，而尚未在分子機制方面得到合理解釋。為什么愈傷組織能夠在不同的激素誘導下再生為不同的器官，而普通體細胞卻沒有這樣的能力？11月15日，中國科學院分子植物科學卓越創新中心徐麟研究組的研究成果（Pluripotency acquisition in the middle cell layer of callus is required for organ regeneration）作為封面文章，發表在Nature Plants上，從單細胞和分子層面揭示了愈傷組織具有器官再生能力的機制。

　　研究對擬南芥下胚軸產生的愈傷組織展開單細胞測序，確認了愈傷組織類似于根原基或根尖分生組織，大致分為三層：外層細胞類似于根尖的表皮和根冠；中層細胞具有根尖靜止中心（quiescent center，QC）的特征；內層細胞類似于根尖的維管初始細胞。研究運用轉錄組比較分析、特征基因表達模式觀察和細胞譜系追蹤等方法，發現愈傷組織中層細胞與根尖靜止中心QC有高度類似的轉錄組特征，也是根和芽再生的源頭干細胞。在遺傳表型方面，根尖靜止中心QC的特征轉錄因子基因WOX5及其同源基因WOX7突變后，愈傷組織的器官再生能力下降；而WOX5/7過量表達可以使愈傷組織在低濃度細胞分裂素的情況下也具有芽再生的能力。分子層面的研究發現，WOX5/7至少通過三條通路促進愈傷組織中層細胞獲取多能性：WOX5/7維持愈傷組織中層的干細胞屬性；WOX5/7-PLT蛋白復合體能夠激活內源生長素合成基因TAA1的表達，促進高濃度生長素的積累；WOX5/7-ARR12復合體能夠抑制ARR5基因的表達，從而解除細胞分裂素的負反饋信號通路，達到細胞分裂素超敏感狀態。

　　根據上述結果，研究推測愈傷組織具有器官再生能力的原理。愈傷組織中層細胞具有干細胞特征，處于未分化狀態。愈傷組織的中層細胞具有雙激素信號高峰的特征，即同時具備高濃度生長素積累和細胞分裂素超敏感的雙重特性。這兩個特征使愈傷組織具有既能再生根又能再生芽的能力：當培養基中只含有低濃度生長素而不含有細胞分裂素時，愈傷組織由于積累了高濃度生長素而分化為根；當培養基中含有高濃度細胞分裂素時，愈傷組織的細胞分裂素超敏感狀態使細胞分裂素能快速有效的激活芽基因的表達，從而發育為芽。而在已分化的體細胞中，生長素途徑和細胞分裂素途徑相互抑制，無法達到兩種激素信號的雙高峰狀態，因而不具備器官再生的能力。

　　研究工作得到國家自然科學基金、中科院、植物分子遺傳國家重點實驗室的支持。愈傷組織轉錄組數據和單細胞轉錄組數據可通過線上工具查詢（http://xulinlab.cemps.ac.cn/）。