責編 | 王一韌皮部（phloem）是維管植物進行營養和信號分子運輸的重要組織。在擬南芥根尖初生生長中，兩個韌皮部區域對稱分佈於維管束中，由一排木質部（xylem）細胞及其兩側的形成層前體細胞（procambium）間隔開。韌皮部由初生韌皮部篩管（protophloem sieve element, PES）和次生韌皮部篩管（metaphloem sieve element, MES），以及其緊臨的兩個伴胞細胞（companion cell, CC）組成（圖1）。近年來，許多參與調控韌皮部發生的基因被陸續發現，其參與的分子調控機制正在逐步地被揭示，但是韌皮部細胞分裂和特化過程中具體如何按既定發育路線形成有序的空間排佈（細胞發育圖式，cell developmental patterning）的機制還不清楚。
圖1 擬南芥根尖初生生長維管束橫切示意圖2022年7月11日，日本大阪大學Tatsuo Kakimoto研究組和清華大學/德國馬普所-科隆大學柴繼傑研究組合作在Nature Plants在線發表題為A Dof-CLE circuit controls phloem organization的研究論文，揭示瞭擬南芥根尖初生韌皮部圖式發育的分子機理，也為今後全面解析整體維管束細胞的圖式發育奠定瞭良好的基礎。
在細胞分裂和特化的過程中，決定細胞特定性質的信號網絡通常由少數轉錄因子所主導。為瞭全面理解植物根尖維管束韌皮部發育的機理，研究人員早在10年前整合瞭多種已發表的轉錄組數據，從中挑選近30個韌皮部富集的轉錄因子（phloem-enriched transcription factor）。通過構建誘導型基因超表達載體並轉化到PSE和CC熒光蛋白GFP表達報告植株，檢測這些基因超表達後是否引起報告基因表達異常和根生長異常，以確定該候選基因是否參與調控韌皮部發育。通過這一策略，篩選到瞭一類DOF轉錄因子（phloem-Dof），其超表達能夠引起SUC2異位表達和根的異常生長。進一步研究發現，phloem-Dof超表達不僅能夠促進細胞的增殖，而且能特異地誘導其他類型細胞完成韌皮部篩管和伴胞細胞完整的發育過程。相對應的，敲除這些phloem-Dof基因能夠引起韌皮部缺失（圖2A）。通過短時間（16小時）誘導基因超表達後的轉錄組分析證實，phloem-Dof能夠上調一系列韌皮部正調控因子（包括SMXLs，APL，CVP2和OPS等）和cell cycle相關基因（包括CYCA2，CYCD3，CYCD4和CYCD6等）。由於多數phloem-Dof在整個韌皮部發育過程表達，因此，綜上結果明確瞭phloem-Dof是主導整個韌皮部發育的關鍵調控因子。
圖2 （A）野生型Col、dof六重突變體、cle25/26/45三重突變體、以及CLE25外源小肽處理後根尖分化區維管束橫切；（B）DOF2.2超表達後誘導韌皮部特異表達的CLE25異位表達；（C）CLE25抑制DOF5.3蛋白表達，但其轉錄水平不受影響。細胞發育圖式的建立往往通過各種正向和負向的信號網絡調控完成。通過轉錄組分析，研究人員發現phloem-Dof也能夠特異結合韌皮部的負調控因子CLE25/26基因的啟動子和內含子等區域並誘導其表達（圖2B）。雖然已有研究報道，CLE25、CLE26、CLE45能夠抑制韌皮部的發育（Ren et al. 2019，JIPB；Anneet al. 2018，Development；Depuydtet al. 2013，PNAS），但是由於未能發現其突變體明顯的韌皮部缺陷表型，其內在的生物學功能至今尚未明確。鑒於CLE是分泌型小肽，研究人員推測CLE25、CLE26、CLE45功能冗餘，且通過胞間側向抑制調控韌皮部發育。為瞭證實這一假設，研究人員構建瞭cle25/26/45三重突變體，通過詳細追溯和比較野生型與突變體韌皮部前體細胞系的發育軌跡，發現野生型初生韌皮部和原形成層細胞都來源於篩管和伴胞的前體細胞，原形成層細胞作為子細胞直至次生生長並未進行分裂；相比較，突變體韌皮部前體細胞雖然與野生型分裂模式相同，但是原形成層細胞也能分化為篩管和伴胞細胞（圖2A）。研究人員進而又篩選到受體類激酶BAMs和CIKs可能為CLE25/26/45的受體系統，並且通過ITC實驗證明BAM1、3直接與CLE25/26/45互作，小肽和受體互作的親和力也解釋瞭為何bam3單突就對CLE45（活性最弱）不敏感。同時發現bam1/2/3三突和cik2/3雙突（CIKs已被證實其為BAMs共受體，Hu et al. 2021，New Phytol）表現出cle25/26/45三突表型。進一步的遺傳分析（構建cle cik五突以及dof cik八突）更加證實瞭Dof-CLEs-BAMs/CIKs為同一信號通路。上述結果表明phloem-Dof直接靶向調控CLE小肽，使其分泌到胞外由BAM/CIK受體系統接收從而側向抑制周邊原形成層細胞分化為篩管和伴胞細胞。接下來兩個重要問題需要回答：（1）CLE激活的BAM-CIK受體復合體是如何抑制周邊細胞的韌皮部形成的？研究人員發現CLE25通過轉錄後調節使phloem-Dof蛋白質的量減少，這種DOF-CLE的負反饋調節阻礙瞭韌皮部的形成（圖2C）。（2）原本應該分化為韌皮部的細胞為何沒有受到CLE信號的抑制？研究人員進一步發現多種phloem-Dof通過自激活和相互激活的方式進行正反饋調節，同時部分phloem-Dof（如Dof5.3）的轉錄水平不受CLE信號的調控，這使得在最初開始表達的細胞中phloem-Dof會趨於穩定。此外，研究人員還發現phloem-Dof激活瞭一種被稱為OPS的基因，有報告稱OPS會阻礙BAM的功能（Breda et al. 2019，Curr Biol），因此OPS也為phloem-Dof克服CLE的抑制效應提供瞭拮抗作用。
圖3 示意圖：DOF-CLE-BAM/CIK信號回路控制韌皮部在恰當的位置形成
綜上所述，該研究闡明瞭一條植物韌皮部發育圖式的DOF-CLE-BAM/CIK負反饋調節回路，即phloem-Dof激活CLE25/26/45小肽，使其分泌到胞外並由BAM/CIK受體系統感知，其信號通路反饋抑制DOF蛋白穩定性，從而側向抑制周邊細胞韌皮部的形成；同時DOF本身轉錄活性不受CLE抑制，並且其存在自激活和相互激活等正反饋調節，使應該形成韌皮部的細胞克服CLE信號的反饋抑制，最終形成恰當的發育模式（圖3）。這一研究從時空維度較為全面地揭示瞭根尖初生韌皮部發育的分子調控機制，為今後全面解析植物維管束發育奠定瞭良好的理論基礎。大阪大學理學研究科生物學專攻Tatsuo Kakimoto教授研究組的錢平平博士和清華大學/德國馬普所-科隆大學柴繼傑教授研究組的宋文博士為該論文的共同第一作者，錢平平博士和Tatsuo Kakimoto教授為共同通訊作者。這是Tatsuo Kakimoto教授和柴繼傑教授兩個研究組繼2018年合作揭示“CLE9/10小肽信號通過不同受體系統調控氣孔和根木質部發育從而共同作用於植物水分運輸和散失”（Qian et al. 2018，Nature Plants）後的又一重要研究發現。上述研究（Qian et al. 2018，2022，Nature Plants）也修正瞭學界普遍認為的，初生和次生生長的木質部和韌皮部都由形成層細胞分裂發育而來的觀點。大阪大學Kakimoto lab是日本研究植物生理生長頂尖的研究室，Kakimoto教授研究興趣廣泛，是細胞分裂素CK和小肽激素信號研究的奠基人，發現瞭CK受體和氣孔EPFs小肽。近十年來專註於根生長發育的研究，發現並驗證瞭特異調控各類型根細胞發育的眾多關鍵轉錄因子。錢平平博士畢業於蘭州大學（2003-2013，本碩博），導師侯歲穩教授，主要從事植物氣孔發育研究，2013年底加入Tatsuo Kakimoto教授研究組繼續從事氣孔發育相關的博士後研究，後將研究重心轉為植物根尖維管束發育，2018年底獲得大阪大學理學研究科助理教授職位，主持兩項JSPS研究課題。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41477-022-01176-0