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细胞分裂素和生长素调控拟南芥体细胞胚根端分生组织建立的分子基础

刘玉博

山东农业大学

摘要:体细胞胚胎发生是植物发育过程中的特殊现象,指各种器官或组织的体细胞通过组织培养可以再生出类似于合子胚的结构——体细胞胚,进而发育成完整的植株。自从早期利用胡萝卜细胞培养体细胞胚的研究开始,这种独特的发育潜能已经成为细胞离体培养体系再生完整植株的重要手段,也成为研究植物胚胎发生早期形态建成调控机理的替代模型。因此,研究体细胞胚胎发生与发育的机理对于揭示细胞全能性与研究合子胚的形态发生等问题具有重要意义。目前,有关体细胞胚胎发生的分子机理和基因调控研究还很少,有待展开系统的研究。本实验室已有的实验结果指出生长素诱导WUS基因的表达对体细胞胚胎发生过程中茎端分生组织的重建是至关重要的。本文将从体细胞胚根端分生组织建成的机制以及microRNA(miRNA)影响体细胞胚胎发生的机理两个方面进行深入研究,期望研究结果为理解体细胞胚胎发生和发育的分子机理提供新的重要信息。主要研究结果如下:(1)细胞分裂素调控体细胞胚胎发生早期根端分生组织的建成为了研究体细胞胚胎发生过程中根端分生组织的重新建立情况,我们用激光共聚焦显微镜观察了根分生组织特征基因的表达模式。根端静止中心特征基因WUSCHEL RELATED HOMEOBOX 5(WOX5)最早在体细胞胚诱导16小时后开始表达,根端分生组织特征基因PLETHORA 2(PLT2)在诱导后24小时内就已经表达,之后SHORT ROOT(SHR)开始表达,而SCARECROW(SCR)开始表达的时间较晚,直到诱导2天后才检测到。雌激素诱导的pER8-WOX5 anti植株抑制了WOX5基因的表达,其胚性愈伤组织几乎丧失了再生体细胞胚的能力,而plt1-1 plt2-1双突变体的初级体细胞胚茎端虽形态正常并分化出两片子叶,但根端出现了严重的缺陷而且无法伸长。以上结果表明体细胞胚胎发生过程中根端分生组织特征基因的表达决定了体细胞胚根端分生组织的建立。在体细胞胚诱导的早期(14天),表征生长素分布的DR5荧光信号无法在WOX5和PLT2表达区域被检测到;诱导5天后,体细胞胚已形成成熟的子叶,此时生长素的信号开始在根端分生组织特征基因的表达位置分布。这说明在茎端分生组织重新建成过程中起重要调节作用的生长素,在体细胞胚诱导早期并不分布在根端分生组织区域。施加细胞分裂素合成的抑制剂洛伐他丁导致胚性愈伤组织的胚性完全丧失而无法再生体细胞胚。进一步的实验发现,A类细胞分裂素响应调节因子ARABIDOPSIS RESPONSE REGULATOR 7(ARR7)基因的表达区域与PLT2一直重叠,细胞分裂素合成基因ISOPENTENYLTRANSFERASE 5(IPT5)的表达也向根端集中。而且利用细胞分裂素受体基因ARABIDOPSIS HISTIDINE KINASE(AHK)的双突变体ahk2 ahk4和ahk3 ahk4以及细胞分裂素响应调节因子35S::ARR7和35S::ARR15过量表达植株,抑制细胞分裂素的信号转导途径,会导致初级体细胞胚出现类似plt1-1 plt2-1双突变体根端缺陷的表型,次级体细胞胚的再生也出现异常。这说明细胞分裂素在体细胞胚胎发生早期特异的分布在根端分生组织区域,对胚的根端分生组织的建立起主要的调控作用。虽然生长素和细胞分裂素共同参与了合子胚顶-基轴的建立,但是与生长素和细胞分裂素协同调控体细胞胚纵向茎端-根端分生组织的建成的模式是不同的。生长素调控体细胞胚胎发生早期WUS的表达和茎端分生组织的形成,而细胞分裂素通过其信号转导途径调控WOX5的表达和根端分生组织的形成。(2)miR167通过其靶基因ARF6和ARF8调控体细胞胚胎发生植物中的miRNA是一类约21个核苷酸组成的内源非编码小分子RNA,通过与其靶基因mRNA互补配对结合,以抑制基因表达或切割mRNA的方式,实现对靶基因的负调控。近年来,越来越多的miRNA在植物生长发育过程中的功能和作用被揭示出来,我们也运用芯片技术检测在体细胞胚胎发生过程中差异表达的miRNA,并结合遗传学实验最终发现miR167在体细胞胚胎发生过程中起着重要作用。首先,我们发现过量表达miR167家族的成员miR167c会显著抑制体细胞胚胎发生。35S::miR167c的愈伤组织在培养过程中逐渐丧失胚性,仅能再生少量的体细胞胚,同时愈伤组织中的LEAFY COTYLEDON 1(LEC1)、LEC2和FUSCA 3(FUS3)等胚胎特征基因的表达水平也明显降低。进一步研究发现过量表达miR167c会导致生长素极性运输蛋白PIN-FORMED 1(PIN1)在愈伤组织中的极性定位消失,导致生长素极性分布模式无法形成,并使WUS基因表达模式紊乱,从而抑制了体细胞胚胎发生。另外,miR167c的靶基因AUXIN RESPONSE FACTOR 6(ARF6)和ARF8的突变体也导致体细胞胚的发生出现异常,arf6-2、arf8-3和arf6-2 arf8-3/+突变体诱导的体细胞胚再生频率明显降低。从表达模式上来看,miR167c及其靶基因ARF6和ARF8均在再生的体细胞胚中特异表达,也说明它们在体细胞胚的诱导过程中起作用。以上结果证明miR167是通过生长素响应因子ARF6和ARF8来调控生长素的极性运输及分布,进而影响体细胞胚茎端分生组织的建成。
  • 专辑:

    基础科学

  • 专题:

    生物学

  • 分类号:

    Q942

导师:

张宪省;

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