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Science︱以色列科学家及其合作者通过单细胞测序揭示番茄中一个调控地上根和地下根起始的超级位点

已有 8328 次阅读 2022-3-6 19:34 |系统分类:科研笔记

尽管对大部分植物而言,根系主要在地下部形成,但化石资料显示,地上根(shoot-borne root) 是开花植物 (被子植物) 一个很古老的性状,这些根被称为不定根 (adventitious),意思是生长在错误地方的根。自然界很多植物在被水淹或受伤后会产生地上根,还有一些植物在自然条件下也会产生地上根。但地上部生根的机制,以及地上根与侧根和受伤后诱导生根之间的关系尚不清楚。番茄(Solanum lycopersicum) 是一种在正常生长过程中,茎上会自然产生很多根的模式植物,这为研究地上生根的机制提供了便利。


以色列耶路撒冷希伯来大学的Idan Efroni 团队和美国纽约冷泉港实验室的Anat Hendelman 团队合作,研究了番茄地上部生根的分子机理,鉴定到一个负责地上根起始的LBD家族的核心转录因子,并在多个物种中验证了其功能的保守性。该研究成果于2022年3月4日在线发表在Science 杂志上,题名A conserved superlocus regulates aboveand belowground root initiation

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图1. 根系起始的保守调控


由于生长素和细胞分裂素在根起始过程中发挥着重要作用,研究者创制了用于观察生长素和细胞分裂素信号的报告株系(DR5:mScarleti-NLS TCSn:mNeonGreen-NLS)。地上根的分生组织起始之前,在韧皮部末端观察到零星的TCSn荧光。而在根起始阶段,在初生韧皮部薄壁细胞中观察到生长素和细胞分裂素信号。随后,生长素和细胞分裂素荧光信号分开,模式类似于根中的成熟区。这些连续事件可分为五个关键时期 (图2 K-V)。以上结果暗示了地上根起始于初生韧皮部的薄壁细胞,且分化过程受到与侧根不同的调控。

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图2 番茄中地上根和侧根的形成


为了研究地上根韧皮部薄壁细胞的分化轨迹,作者对Tissue of origin, Stage 1, Stage 3 和Stage 5共四个时期的分生组织和韧皮部薄壁细胞进行取样和单细胞测序,鉴定出11 种细胞类型。其中根特异的细胞,如根冠和原形成层细胞只在Stage 3和Stage 5中被鉴定到,而Stage 1 中鉴定到的细胞有1/3 为韧皮部薄壁细胞或韧皮部细胞,这再次证明了地上根起源于韧皮部。基因簇8 和9 被鉴定为干细胞,这些细胞富集了很多根系干细胞调控因子,其中一些只在Stage 1 中被鉴定到,约占整个Stage 1 细胞的30%。基因簇9 和10 分别被认为是根冠和干细胞的分支点,这种短暂的细胞特异性被命名为转化阶段 (transition),代表了地上根分化的起始。为了鉴定干细胞转化过程的关键调控因子,研究者筛选了在韧皮部薄壁细胞向干细胞发育的过程中表达量发生变化的基因,以及在转化阶段富集的基因。在128 个候选基因中有5 个转录因子,分别是:AP2/ERF,两个MYBs,一个C2H2锌指蛋白和一个LBD蛋白Solyc09g066270。其中Solyc09g066270高度特异地在转化期细胞中表达 (图3)。


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图3 地上根起始单细胞转录组分析


Solyc09g066270 是一个IB 类的LBD 蛋白,这一类蛋白位于生长素下游调控根的发育。为了进一步研究该基因的功能,作者创制了该基因的突变体材料。与野生型相比,无论是茎部扦插还是下胚轴泡到水中,突变体都显著降低了诱导地上部生根的能力。因此将该基因命名为SHOOTBORNEROOTLESS (SBRL)。IB 类的LBD 蛋白分为5 个亚类,其中IIIB 亚类单基因的突变会导致地上根的缺失,并在物种中具有保守型。为了研究IIIB 亚类蛋白功能的保守性,作者在马铃薯(Solanum tuberosum) 中创制了突变体stsbrl,并发现该突变体不能形成根 (图4)。


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图4 SBRL调控被子植物中地上根的起始


在系统发育树的组装过程中,研究者观察到IIIB 亚类基因总是几乎紧挨着IIIA亚类基因 (BSBRL, BSBRL2)。使用算法 (Conservatory algorithm) 对来自四个科80 个物种的顺式调控元件进行分析发现,该位点的非编码区存在广泛的保守性,包括多个生长素和细胞分裂素响应元件 (图5)。


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图5 调控侧根起始的超级位点 (superlocus) 在物种间功能保守


最后,研究者提出了一个模型,认为IIIB 和IIIA 亚类基因共同调控了转化期 (transition) 的发生,在不同类型根的特化过程和被子植物根的多样性中具有重要作用。另外,有意思的是豆科植物结瘤 (豆科植物侧根上形成的用于固氮菌定殖的特殊结构) 的起始也是由IIIA 亚类基因所调控的。


综上,根分生组织的形成起始于一种与高度保守的IIIA和IIIB亚类基因相关的共同过渡状态。这些基因控制着不同类型根的起始,IIIB亚类在茎生根起始中发挥作用,而IIIA亚类在侧根和一些伤口诱导根的起始中起着作用。在早期被子植物中,IIIA亚类和IIIB亚类基因的超位点的出现,使得不同类型根的遗传调节得以专门化,从而使植物能够对不同的环境做出复杂的发育响应。


原文链接:https://www.science.org/doi/10.1126/science.abf4368




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1 高建国

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