以下文章来源于Mol Plant植物科学 ，作者筱柔
2023年3月30日，来自芬兰等国的研究者在Nature Plants上发表了题为“Gibberellins promote polar auxin transport to regulate stem cell fate decisions in cambium”的研究论文，该研究表明生长素信号在形成层中决定了干细胞子细胞的分化命运，揭示了赤霉素（GA）调节木质部和韧皮部比例的机制。
https://doi.org/10.1038/s41477-023-01360-w
维管形成层由分生组织细胞组成，维管形成层区域中有一层具有双向分裂能力的干细胞，也就是向外侧分裂形成韧皮部母细胞，而向内分裂形成木质部母细胞，但是其中的调节机制目前尚不清楚。维管形成层负责植物茎和根的横向生长，这在乔木类植物中非常普遍，但是也会发生在像拟南芥这样的非木质类植物中。其他植物激素也与生长素一起影响形成层的发育，例如，GA都促进了拟南芥和杨树的次生木质部的产生，在拟南芥中，这一过程发生在赤霉素水平升高的开花期间。最近，有研究证明生长素反应因子ARF6和ARF8介导生长素依赖的木质部生产，这是GA信号传导的下游。
在此之前，GA已被证明可以增加拟南芥开花期间下胚轴木质部的形成。为了了解遗传在形成层生长动力学中的作用，研究人员在细胞分辨率下分析了遗传在拟南芥植物根中的影响。并且研究人员分析了在次生生长的早期阶段的根，那时细胞的分裂和分化动力学更容易追踪分析。在这些阶段，只产生两种类型的木质部细胞：次生木质部导管和木质部薄壁组织。次生木质部导管径向扩张，在完全分化前沉积了一个较厚的次生细胞壁，而木质部薄壁组织仍处于看似未分化的状态。与预期的一样，GA处理导致次生木质部导管和木质部薄壁组织数量增加，且两种细胞类型的增加相等(图 1a-c)。此外，GA处理使次生木质部导管的扩张增加(图1a、1d)，与GA处理的植物相比，GA生物合成缺乏的突变体ga1木质部导管和薄壁细胞数量减少(图1a-c)。此外，木质部导管面积减少（图1a、d）。所有这些表型均通过GA处理得到恢复（图1a-d）。因此在根的次生生长的早期阶段，GA促进了木质部导管和薄壁组织的产生。
为了研究引起木质部细胞数量变化的机制，研究人员探寻了形成层生长动力学的变化。在正常生长条件下，谱系来源于一个干细胞，并以相似的方式向木质部和韧皮部侧延伸（图1f、i）。这表明，干细胞分裂通常提供相同数量的新木质部和韧皮部细胞。在GA处理条件下，克隆细胞系分布不均匀（图1g、1i），倾向于木质部一侧，而ga1突变体背景下的细胞系最好的是韧皮部（图1h、i）。这些数据表明，GA在形成层增殖过程中调控干细胞的命运，而不是特异性调控木质部或韧皮部的增殖。
与谱系追踪结果一致，GA处理的根韧皮部细胞总数减少，ga1突变体背景的韧皮部细胞总数增加（图1a、e）。接下来，研究人员使用韧皮部细胞特异性标记物APL来确定GA是否影响韧皮部细胞的产生。研究人员观察到被APL标记的细胞比例在GA处理后韧皮部细胞总数增加，而在ga1细胞中总数减少（图1j、k）。因此，在过量的GA下，植物产生比例更多的导电韧皮部，而在有限的GA下，它们产生比例更多的薄壁细胞。
图1 GA诱导次生木质部增殖和导管扩张
研究人员通过在三种不同细胞类型特异性诱导启动子下驱动GA信号的抑制剂，研究了GA信号对形成层发育的影响。抑制早期韧皮部基因PEAR1启动子下的GA信号转导并不会抑制木质部的产生（图2a、b、e）。然而，RGAΔ17诱导在ANT启动子作用下，特别是在早期木质部基因AtHB8的启动子作用下显著减少了木质部的产量（图2a、c-e），其中最强的株系类似于ga1突变体的表型(图1a、2d)。这些数据表明，在干细胞和早期木质部中的GA信号传递是其促进木质部产生的作用所必需的。
图2 在形成层木质部的GA信号传递需要促进次级木质部的形成
由于GA对木质部增殖的影响在局部生长素信号最大值所在的早期木质部细胞中最强，因此随后研究人员探究了GA是否可以调节该最大值的位置。在GA处理后，任何一个突变体组合中次生木质部导管的数量都没有显著变化（图3f、g），由此表明了GA对木质部产生的影响需要ARF5/ARF7/ARF19介导的生长素信号转导。
图3 生长素信号通路是GA影响木质部发育所必需的
进一步详细分析显示，PIN1在木质部侧干细胞子细胞（图中所示−1位置）中表达量最高，在邻近细胞（图中所示−2和1位置）中表达量较弱。GA处理24 h后，PIN1的表达向韧皮部扩散，占据两个干细胞子细胞(图4a、d)。由于GA诱导DR5v2比诱导PIN1（24小时）需要更长的时间（48小时），研究人员据此推测GA介导的PIN1上调不依赖于ARF介导的生长素信号转导。数据表明，GA促进了干细胞中PIN1的表达，随后是促进了DR5v2的表达。
图4 GA以PIN1依赖的方式促进生长素的长距离运输
之后，研究人员再次进行了一项谱系追踪实验，其中使用ANT启动子在干细胞中诱导了标记有GUS表达的单细胞克隆。在正常生长条件下，茎细胞区向木质部和韧皮部的分布几乎相等（图5e、h），类似于形成层中随机产生的干细胞区（图1f、i）。当GA处理幼苗时，大部分干细胞区向木质部延伸，而不是向韧皮部延伸（图5f-h）。这表明，在施用GA后，偶尔会有两个干细胞子细胞都失去了它们的原有身份并分化为木质部。
图5 GA通过影响干细胞的动力学来促进木质部的形成
综上所述，这项研究表明GA通过两种方式影响木质部的增殖：第一，它增加了从干细胞分化出来的木质部细胞的数量，第二，它促进了次生木质部导管的扩张，类似于GA对其他组织中其他细胞类型的影响。但GA对韧皮部的产生有相反的影响：干细胞产生的韧皮部细胞较少。GA调控干细胞命运的这种可变性可能反映了GA在调节木质部和韧皮部比例方面的作用，而不是决定木质部和韧皮部比例的作用。目前尚不清楚干细胞与生长素最大值相邻的位置，一种可能是生长素梯度内的中等生长素水平促进干细胞分裂。为了支持这一观点，研究人员之前使用敏感的生长素信号报告因子观察到沿形成层的生长素信号梯度。然而，仍然还不清楚这种梯度是如何稳定地定位干细胞的。另一种可能性是，生长素最大值启动了一个移动信号，该信号非细胞自主地指定邻近位置的干细胞，并促进它们的分裂。然而，这种信号的存在仍然是推测性的。
本文的通讯作者Ari Pekka Mähönen是芬兰赫尔辛基大学有机体和进化生物学研究课程教授，在Viikki 植物科学中心（校园虚拟研究环境）从事科研工作。他们团队正在以拟南芥的根为模型，研究维管形成层的发育。维管形成层产生木质部和韧皮部，并与木栓形成层在表面产生一层称为木栓的保护层，为植物器官提供厚度。研究团队善于将谱系追踪和显微镜与分子遗传学相结合，以细胞分辨率了解维管形成层干细胞的生长动态，近期开始研究木栓形成层的干细胞相关机制。其研究成果先后在Nature、Current Biology、Plant Physiology和Plant and Cell Physiology等期刊发表。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41477-023-01360-w
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