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新的基因表达网络可以帮助理解植物中连续干细胞活性背后的机制

一个大学间研究小组成功构建了植物维管发育过程背后的基因表达网络。他们通过使用“VISUAL”组织培养平台进行生物信息学分析来实现这一目标,该平台从叶细胞生成血管干细胞。在这个网络中,他们还发现了一种新的 BES/BZR 转录因子 BEH3,它可以调节血管干细胞。此外,他们阐明了一种新的血管细胞维持系统,其中 BEH3 与来自同一 BES/BZR 家族的其他转录因子竞争,以稳定血管干细胞的增殖和分化。

联合研究小组由科学研究员古屋智之和近藤由纪副教授等人组成。(神户大学研究生院理学部)、九州大学佐竹明子教授、田仓胜特聘教授和宫川拓也特聘副教授(东京大学农业与生命科学研究科)、YAMORI Wataru 副教授(东京大学研究生院)东京大学可持续农业生态系统服务研究所)。

研究人员希望确定更多的干细胞调控因子,这将有助于我们了解植物中持续干细胞活性背后的分子基础。

这些研究成果于2021年6月1日发表在美国植物科学杂志The Plant Cell上。

植物通过自我复制干细胞并分化这些干细胞而形成,因此它们具有构建植物部分(例如器官和组织)的特殊功能。与动物不同,植物在其一生中通过产生干细胞来继续再生和生长。例如,柳杉等树木的寿命很长(日本屋久岛的绳纹雪松树至少有 2000 年的历史),每年它们都会促进二次生长,导致树干周围出现另一个年轮。

这种二次生长发生在称为形成层的分生组织区域内,血管干细胞在该区域增殖并分化为木质部细胞和韧皮部细胞,使树干变得更宽。换言之,植物在其一生中必须不断地产生维管干细胞才能保持生长,维持干细胞增殖和分化之间的平衡至关重要。

近年来,利用模式植物拟南芥从遗传学、生命科学和信息学研究的角度,对干细胞增殖和分化的调控机制进行了研究。然而,植物调节和维持干细胞适当平衡的机制仍有待了解。

为了分析血管干细胞分化为木质部细胞和韧皮部细胞的过程(图 1),近藤副教授等人的研究小组开发了组织培养系统“VISUAL”,以从叶细胞人工生成干细胞。

VISUAL 有许多优点使其适用于血管干细胞的研究,例如,可以很容易地对去除了特定基因功能的植物(即突变体)进行遗传分析,还可以观察血管干细胞的时间进程分化。在这项研究中,研究人员收集了多个突变体的数据,并对不同时间点的基因表达进行了大规模分析。

他们对表达模式的相似性进行了基因共表达网络分析,以评估不同基因之间的关系。通过这项分析,他们成功地确定了木质部细胞、韧皮部细胞和血管干细胞中独特的基因组(图 1)。该研究小组之前使用 VISUAL 揭示了 BES/BZR 转录因子 BES1 和 BZR1 在血管干细胞分化中起着重要作用。这一次,他们通过网络分析在血管干细胞基因组中鉴定出另一种BES/BZR转录因子BEH3,并对其血管干细胞抑制功能进行了检测。

接下来,研究人员使用去除了 BEH3 功能的突变体研究了血管形成。他们发现,与野生型(非突变植物)相比,突变体在血管大小上有很大差异,并得出结论,BEH3 可以稳定血管干细胞。

研究小组此前发现,加强BES1(促进血管细胞分化)的功能会导致血管细胞数量减少,但他们发现,当他们加强BEH3的功能时,血管干细胞数量会增加。

研究小组进一步研究后发现,尽管BEH3可以与其他BES/BZR转录因子结合相同的DNA基序(BRRE基序),但BEH3对下游基因表达的调控能力明显较弱。这些结果表明 BEH3 阻碍了其他 BES/BZR 转录因子的活性(图 2),研究人员从这种关系中推断出 BEH3 在血管干细胞中的功能与包括 BES1 在内的同一家族中的因子的功能相反。

使用数学模型来验证和模拟 BEH3 与其他 BES/BZR 转录因子之间的这种竞争关系,结果表明血管干细胞中 BEH3 的存在有助于稳定血管大小(图 3)。

进一步发展

该研究小组的血管干细胞基因表达网络中有许多重要的候选基因被认为将有助于了解血管发育和功能。希望通过这项研究获得的有价值的信息将加速血管研究。此外,进一步阐明BEH3与其他BES/BZR转录因子之间的关系及其各自的差异,将加深我们对植物维持干细胞增殖和分化平衡机制的理解。

将来,这些知识可以为生物质生产技术和其他需要大规模稳定植物生长的领域做出贡献。

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