桂樂月，姚 立，陳春麗

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院 湖北洪山實驗室，武漢 430070)

由華中農(nóng)業(yè)大學(xué)主辦的“第一屆植物干細(xì)胞與再生國際研討會”于2022年5月2日至3日線上舉行。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院院長熊立仲與沙特阿拉伯阿卜杜拉國王科技大學(xué)(KAUST)Ikram Blilou教授在開幕辭中指出，干細(xì)胞與再生是科學(xué)界最具挑戰(zhàn)性的前沿問題之一，位于Science公布的最重要的25個科學(xué)問題中，包括“什么控制著器官再生”“單個體細(xì)胞如何長成完整植株”等。植物干細(xì)胞作為“種子”細(xì)胞的一種，對解決無性繁殖這一種業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)有著重要的科學(xué)意義。

來自美國、英國、新西蘭、墨西哥、沙特阿拉伯、日本和中國等7個國家的14位科學(xué)家，以早期陸生模式植物小立碗蘚(Physcomitriumpatens)、雙子葉模式植物擬南芥(Arabidopsisthaliana)、糧食作物水稻(Oryzasativa)與小麥(Triticumaestivum)、園藝作物蘋果(Malusdomestica)與來檬(Citrus×aurantiifolia)以及藥用植物人參(Panaxginsen)為研究對象，報告了植物干細(xì)胞與再生領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展。

1 早期陸生模式植物小立碗蘚干細(xì)胞與再生研究報告

陸生植物細(xì)胞有較高的全能性，其中苔蘚植物小立碗蘚因其簡單的生命周期與較高的干細(xì)胞全能性成為植物干細(xì)胞研究的模式植物。小立碗蘚葉片細(xì)胞能被機(jī)械損傷誘導(dǎo)重編程為干細(xì)胞。日本基礎(chǔ)生物學(xué)研究所石川雅樹博士介紹了小立碗蘚中一個包含STEMIN、PpCSP、PpWOX13L、ATG、CYCD;1、CDKA、H3K27me3、EXPB4與自噬作用的干細(xì)胞形成調(diào)控網(wǎng)絡(luò)[1]。STEMIN1是從小立碗蘚中鑒定出來的一個重編程因子，能應(yīng)答損傷信號，誘導(dǎo)體細(xì)胞重編程產(chǎn)生干細(xì)胞。STEMIN1在細(xì)胞分裂前降低其直接靶向基因的H3K27me3水平，可能作為一個平臺將組蛋白修飾元件招募到特定位點，從而直接或間接調(diào)控下游基因的染色體狀態(tài)，激活靶基因的表達(dá)[2]。PpCSPs 增強(qiáng)細(xì)胞重編程能力，并可作為RNA結(jié)合蛋白發(fā)揮作用，調(diào)節(jié)mRNA在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中的成熟、穩(wěn)定性或翻譯，與哺乳動物的Lin28功能類似[3]。STEMIN和PpCSP基因可互相誘導(dǎo)，各自獨立地被損傷激活。自噬被機(jī)械損傷激活，不僅在細(xì)胞重編程中發(fā)揮作用，也通過吞噬分化相關(guān)元件讓葉細(xì)胞更宜于重編程[4]。

除了機(jī)械損傷，DNA損傷也可誘導(dǎo)重編程。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)陳春麗教授介紹了小立碗蘚中DNA損傷是體細(xì)胞重編程的一種新型誘導(dǎo)因子[5]。DNA損傷試劑喜樹堿、Zeocin和博來霉素短暫處理可以誘導(dǎo)小立碗蘚葉細(xì)胞經(jīng)歷不對稱分裂重編程為綠絲體頂端干細(xì)胞，獲得產(chǎn)生新的完整莖葉體能力。這些試劑引起的單鏈DNA損傷即可引起體細(xì)胞重編程，且不出現(xiàn)細(xì)胞死亡。DNA斷裂誘導(dǎo)的重編程依賴于ATR和STEMINs，且ATR位于STEMIN1的上游[5]。

北海道大學(xué)藤田知道教授以小立碗蘚原生質(zhì)體為試驗材料，研究不對稱分裂(asymmetric cell division，ACD)、對稱分裂(symmetric cell division,SCD)及其過程中的動力學(xué)。GRAS家族轉(zhuǎn)錄因子pph16o21對ACD細(xì)胞極性和細(xì)胞壁完整性等特征都有影響，對ACD過程中頂端干細(xì)胞形成的空泡形態(tài)學(xué)和定位調(diào)控尤其重要。其功能可能是由水通道蛋白(AQP)中的幾個成員，如PIP1;5和PIP2;2所介導(dǎo)。非生物脅迫和ABA處理可誘導(dǎo)原絲體細(xì)胞轉(zhuǎn)化為“抗脅迫細(xì)胞”芽孢(brood cells)。脫落酸(ABA)可迅速抑制16o21轉(zhuǎn)錄和胞間通信，通過使細(xì)胞分裂模式從ACD到SCD改變，誘導(dǎo)普通原絲體到抗逆干細(xì)胞的命運轉(zhuǎn)變。ABA信號參與干細(xì)胞調(diào)控和胞間通信的關(guān)鍵步驟，可能集成在更多重要的發(fā)育階段。這種聯(lián)系應(yīng)該是陸生植物在嚴(yán)酷陸地環(huán)境求生的基礎(chǔ)。鑒于核心 ABA 信號通路最早在陸地植物的最后一個共同祖先中建立，ABA 信號與調(diào)節(jié)干細(xì)胞動力學(xué)和發(fā)育程序的聯(lián)系，可能是陸地植物成功進(jìn)化的關(guān)鍵。

2 雙子葉模式植物擬南芥干細(xì)胞與再生研究報告

擬南芥因其基因組較小，生長周期短、生長條件易于創(chuàng)建和遺傳轉(zhuǎn)化簡單等特點一直以來都是植物學(xué)基礎(chǔ)理論研究的模式植物。本次會議有6位報告人介紹各自研究團(tuán)隊在擬南芥中干細(xì)胞與再生研究的最新進(jìn)展。

細(xì)胞多能性是生物學(xué)的基礎(chǔ)。人類很早就知道已經(jīng)分化的體細(xì)胞可能重新獲得多能性，但其潛在機(jī)制尚不清楚。中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心徐麟研究員通過對擬南芥組織培養(yǎng)中愈傷組織再生相關(guān)的4個問題的解答，對當(dāng)前擬南芥愈傷組織再生研究做了簡單總結(jié)。第一個問題討論了可以形成愈傷組織的組織或細(xì)胞類型。報告認(rèn)為有形成根器官能力的維管干細(xì)胞,可以被誘導(dǎo)產(chǎn)生愈傷組織。第二個問題是什么是愈傷組織。愈傷組織細(xì)胞依據(jù)其表達(dá)模式可以分為數(shù)類，成熟愈傷中結(jié)構(gòu)類似根尖分生組織的細(xì)胞龕擁有再生能力,并且成熟愈傷組織中層由與根尖靜止中心(quiescent center,QC)表達(dá)模式相近的細(xì)胞組成[6]。第三個問題是為什么愈傷組織具有再生多種器官的能力？依據(jù)其團(tuán)隊的研究,他認(rèn)為，成熟愈傷組織的中間層細(xì)胞具有干細(xì)胞活性、積累生長素的能力和對細(xì)胞分裂素的超敏反應(yīng),由此突破了在普通體細(xì)胞中生長素與細(xì)胞分裂素相互拮抗的局面,從而引起組織器官的再生。最后，徐麟研究員提到他對植物干細(xì)胞多能性進(jìn)化模式的見解，認(rèn)為在植物進(jìn)化過程中，干細(xì)胞多能性這一特性的保留是基于Auxin-PLT-WOX模型的保守性[7]。

現(xiàn)如今，組織培養(yǎng)已經(jīng)是植物研究與生產(chǎn)的重要手段。在許多植物物種中，分離葉肉原生質(zhì)體再生整個植株的方式已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在植物的遺傳轉(zhuǎn)化中。促進(jìn)原生質(zhì)體的再生效率以及認(rèn)清原生質(zhì)體再生的分子機(jī)制一直以來是植物生物工程面臨的重要問題。中國科學(xué)院大學(xué)汪穎博士介紹了其研究團(tuán)隊鑒定的兩個異位激活促進(jìn)原生質(zhì)體再生的轉(zhuǎn)錄因子WUS和DRN，同時還提出了葉肉原生質(zhì)體獲得全能性的模型。即原生質(zhì)體的分離導(dǎo)致全基因組染色質(zhì)可及性的增加，從而促進(jìn)基因表達(dá)的隨機(jī)激活，這種轉(zhuǎn)錄組混亂與細(xì)胞間基因表達(dá)變異的增加創(chuàng)造了一個細(xì)胞水平的進(jìn)化驅(qū)動因素，最終具備再生基因表達(dá)模式的原生質(zhì)體細(xì)胞在進(jìn)化選擇中勝出[8]。

根尖干細(xì)胞因其結(jié)構(gòu)簡單，一直是植物干細(xì)胞研究中的良好模型。墨西哥生物多樣性基因組學(xué)國家實驗室的Luis Alfredo Cruz Ramírez博士講述了擬南芥根尖干細(xì)胞龕(root stem cell niche,RSCN)維持所需要的兩個主要的調(diào)控回路。第一個是RBR蛋白與轉(zhuǎn)錄因子SCR相互作用，重新塑造皮質(zhì)-內(nèi)皮層初始(cortex-endodermis initial,CEI)細(xì)胞和根尖QC細(xì)胞的狀態(tài)，該回路還有SHR和CYCD6兩個基因的參與[9]。第二個回路是Auxin-AIL/PLT通路。ANT/PLT基因是生長素誘導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄因子，主要在分裂組織中表達(dá)，發(fā)揮著RSCN維持、胚胎發(fā)育和側(cè)向器官形成等重要作用。對這一通路的研究顯示生長素反應(yīng)因子(ARFs)在AIL/PLT基因的上游介導(dǎo)該信號通路。此外，AIL/PLT轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控根和莖部生長素生物合成和運輸基因的轉(zhuǎn)錄，從而建立Auxin-AIL/PLT正反饋回路[10]。之后，他還簡單介紹了在進(jìn)化發(fā)育模式植物地錢中對RBR-SCR-CHR-CYCD回路以及ANT/PLT-Auxin調(diào)控通路的研究進(jìn)展。根的生長依賴于RSCN的維持和分生組織中細(xì)胞的持續(xù)分裂。多年來，美國佛羅里達(dá)州立大學(xué)終身教授崔洪昌博士一直致力于擬南芥根尖干細(xì)胞更新與活性維持的新調(diào)控因子的鑒定。他的研究團(tuán)隊通過比較分析擬南芥根中不同細(xì)胞類型的轉(zhuǎn)錄組來尋找特異性調(diào)控RSCN的因子，其中很多被鑒定出的基因功能仍不清楚。之前對TGA家族的研究都集中于生物和非生物脅迫反應(yīng)，近期，他們對TGA家族因子在這一過程中的功能進(jìn)行挖掘，研究顯示，TGA家族因子在擬南芥根尖干細(xì)胞龕的維持、細(xì)胞增殖和伸長中具有廣泛作用，但它們使用不同的機(jī)制調(diào)控根尖的氧化還原穩(wěn)態(tài)。之后他講述了自己實驗室通過對scr突變體進(jìn)行遺傳篩選，并對獲得的一個突變體進(jìn)行鑒定的研究工作。這項工作發(fā)現(xiàn)scr促進(jìn)了多個端粒保護(hù)因子的表達(dá)，從而通過確保端粒的完整性來維持干細(xì)胞活性[11]。

KAUST大學(xué)Ikram Blilou教授研究了控制植物根部蛋白質(zhì)運動和不對稱細(xì)胞分裂的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，通過體內(nèi)細(xì)胞分辨率級別的圖譜定位蛋白質(zhì)復(fù)合物，并揭示它們獨特的空間分布如何在不同環(huán)境條件下介導(dǎo)特定基因表達(dá)和細(xì)胞命運決定[12-15]。Blilou教授分享了其實驗室近期對胚胎缺陷基因1579(EMB1579)的研究進(jìn)展。該基因由于其突變體在根部表現(xiàn)出的特殊表型又被稱為鹽脅迫培養(yǎng)基短根基因(RSA1)。研究顯示，EMB1579編碼一個包含鈣離子結(jié)合域的核蛋白，通過液-液相分離的方式調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄和mRNA剪接并調(diào)節(jié)根生長。由此，EMB1579通過調(diào)控WOX、PLT、RBR等干細(xì)胞調(diào)節(jié)因子來參與對PLT-SCR-SHR模型的調(diào)節(jié)。同時，EMB1579還是JAZ蛋白復(fù)合體的組分之一，參與損傷響應(yīng)。此外，Blilou教授還介紹了他們開發(fā)的植物根系表型活細(xì)胞成像平臺，推動了植物表型研究效率的提升[16]。

光刺激介導(dǎo)植物維管組織的形成與發(fā)育。植物萌發(fā)后，光啟動植物光合作用從而介導(dǎo)光自養(yǎng)生長的建成。因此，光信號傳導(dǎo)和維管發(fā)育之間必定存在聯(lián)系，但連接這兩者之間的分子機(jī)制仍有待突破。英國杜倫大學(xué)生物學(xué)院Miguel de-Lucas博士研究發(fā)現(xiàn)，由CLE41和CLE44編碼的TDIF多肽可以激活PXY/TDR受體，從而維持形成層細(xì)胞的增殖能力，抑制其分化；TDIF-PXY/TDR信號通路是精確調(diào)控形成層分生組織中細(xì)胞增殖和分化平衡的核心；黑暗介導(dǎo)的PIFs積累對CLE44的誘導(dǎo)和維持維管的未分化狀態(tài)是必需的；在光照環(huán)境下，光感受器使PIF失活，從而導(dǎo)致CLE44表達(dá)量下降，隨后TDIF減少，PXY/TDR信號通路減少，便誘導(dǎo)木質(zhì)部的分化，以滿足與光自養(yǎng)發(fā)育相關(guān)的水分需求。他們的研究揭示了光信號轉(zhuǎn)導(dǎo)介導(dǎo)植物維管發(fā)育分子機(jī)制。

3 植物干細(xì)胞與再生在經(jīng)濟(jì)作物、糧食作物與藥用植物中的應(yīng)用研究報告

有關(guān)植物科學(xué)干細(xì)胞的基礎(chǔ)研究為作物遺傳改良提供了策略，大大提升了不同作物的生產(chǎn)與品種改良效率。同時，在不同物種中開展干細(xì)胞研究也通過物種多樣性發(fā)掘出更多潛在的干細(xì)胞維持與命運決定的調(diào)控通路。

植物的遺傳轉(zhuǎn)化與再生已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于不同作物的品種優(yōu)化。新西蘭植物食品研究所高級科學(xué)家姚家龍博士就是利用這一手段獲得了高轉(zhuǎn)化效率的蘋果株系。BABYBOOM(BBM)是AP2家族的成員，其異位表達(dá)已被證明可以促進(jìn)草本植物的轉(zhuǎn)化和再生。姚家龍博士通過異位表達(dá)蘋果MdBBM1基因顯著促進(jìn)蘋果植株的再生。研究表明MdBBM1異位表達(dá)增強(qiáng)了細(xì)胞分裂。轉(zhuǎn)錄組分析結(jié)果也顯示，MdBBM1轉(zhuǎn)基因植株中與生長素、細(xì)胞分裂素和油菜素內(nèi)酯等植物激素信號通路相關(guān)的細(xì)胞分裂激活因子轉(zhuǎn)錄水平增加，阻遏因子的轉(zhuǎn)錄則降低。對MdBBM1轉(zhuǎn)基因株系再次進(jìn)行遺傳轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)入除草劑抗性基因，結(jié)果顯示有3個轉(zhuǎn)基因株系的遺傳轉(zhuǎn)化效率提升了十倍以上。該研究結(jié)果為克服蘋果和其他樹木生產(chǎn)轉(zhuǎn)基因植物的障礙提供了解決方案[17]。通過遺傳轉(zhuǎn)化獲得高轉(zhuǎn)化效率植株的方式在小麥中也被應(yīng)用。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所葉興國教授團(tuán)隊2014年從日本煙草公司(Japan Tobacco International，JPI)學(xué)習(xí)了用未成熟胚胎轉(zhuǎn)化小麥的技術(shù)。但該技術(shù)依賴于基因型，限制了目前通過轉(zhuǎn)基因整合和基因組編輯的方法改良小麥的能力。葉興國教授團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，與其他方法相比，小麥基因TaWOX5的過表達(dá)能夠顯著提高轉(zhuǎn)化效率，且基因型依賴性較低。TaWOX5在小麥愈傷組織中的表達(dá)并不抑制莖部的分化和根的發(fā)育。此外，成功轉(zhuǎn)化的轉(zhuǎn)基因小麥植株可以由可見表型相對更寬的旗葉清楚識別。TaWOX5的應(yīng)用改進(jìn)了小麥未成熟胚的轉(zhuǎn)化和再生體系。利用TaWOX5提高轉(zhuǎn)化效率的方法在一粒小麥(Triticummonococcum)、小黑麥和黑麥中也顯示出良好的效果[18]。

干細(xì)胞活性的維持對人參根器官的長壽至關(guān)重要。中國中醫(yī)科學(xué)院中藥資源中心的劉娟博士介紹了她對人參再生與長壽機(jī)制的研究。野生人參中人參皂苷的含量高于栽培人參，且可在自然條件下存活數(shù)十年，受到生物脅迫時其容易再生不定根。人參皂苷處理實驗表明，不同濃度人參皂苷可以影響人參不定根分枝和細(xì)胞增殖。PgWOXs隨皂苷處理變化，從人參不定根中鑒定出的蛋白PgCLE45也受到PgWOX11的直接調(diào)控。PgWOX11在不定根中誘導(dǎo)PgCLE45的表達(dá)，而PgCLE45抑制PgWOX11的表達(dá)。人參皂苷中發(fā)現(xiàn)的PgCLE45-PgWOX11調(diào)控環(huán)是調(diào)控不定根分枝的一種新的潛在機(jī)制[19]。

木本植物的地上結(jié)構(gòu)很大程度上依賴于莖分生組織的細(xì)胞活性。柑橘屬植物的腋生分生組織可以發(fā)育為枝條、刺和花，柑橘腋生分生組織的命運決定影響著柑橘的產(chǎn)量。近些年，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)張飛教授的研究表明，柑橘中枝條分生組織、刺分生組織和花分生組織的關(guān)鍵調(diào)控因子在各自的表達(dá)域上相互拮抗。他分析了柑橘屬刺分生組織與枝條分生組織之間身份轉(zhuǎn)換的CEN-TI1-WUS模型：轉(zhuǎn)錄因子WUS是維持枝條分生組織的重要因子，TI1通過抑制WUS在腋生分生組織的表達(dá)終止枝條的生長，從而形成刺[20]；CEN基因則可以通過抑制TI1將腋生分生組織的細(xì)胞命運轉(zhuǎn)變?yōu)橹l分生組織[21]。此外，過表達(dá)FT轉(zhuǎn)錄因子可以部分將自分生組織誘導(dǎo)為花分生組織。顯然，這些關(guān)鍵調(diào)控因子的基因調(diào)控導(dǎo)致了莖部身份的轉(zhuǎn)換。張飛教授還提出是這些因素的拮抗作用介導(dǎo)了腋生分生組織細(xì)胞命運的決定模式，從而形成柑橘樹的分枝結(jié)構(gòu)。

表觀遺傳修飾在莖尖干細(xì)胞活性維持與分化中起著重要作用，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)王文韜博士介紹了他有關(guān)組蛋白甲基化修飾調(diào)控水稻莖尖發(fā)育的研究。在莖尖分生組織中，KNOX/BELL轉(zhuǎn)錄因子是分生組織細(xì)胞多能性和分化的關(guān)鍵調(diào)控因子。PRC2介導(dǎo)H3K27me3組蛋白修飾。王文韜博士發(fā)現(xiàn)PACP在正向調(diào)控PRC2核心成分EMF2b的染色體結(jié)合能力的同時，可以與水稻KNOX1發(fā)生互作。KNOX/BELL轉(zhuǎn)錄因子靶向結(jié)合到基因上后，PACP介導(dǎo)PRC2在該位點的招募并穩(wěn)定結(jié)合，從而維持H3K27me3修飾和下游基因的轉(zhuǎn)錄抑制[22]。該研究為PRC2對H3K27me3的維持以及KNOX/BELL蛋白調(diào)控莖尖分生組織發(fā)育的機(jī)制提供了新見解。

4 結(jié)語

在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，會議報道了包含干細(xì)胞因子、組蛋白修飾與自噬作用的干細(xì)胞形成調(diào)控網(wǎng)絡(luò)；DNA損傷誘導(dǎo)干細(xì)胞形成；ABA信號通路與干細(xì)胞命運決定；組織培養(yǎng)細(xì)胞譜系與原生質(zhì)體再生的隨機(jī)選擇模型；RSCN干細(xì)胞活性維持的調(diào)控回路；不定根分支調(diào)控機(jī)制；光信號轉(zhuǎn)導(dǎo)介導(dǎo)植物維管發(fā)育分子機(jī)制；柑橘腋分生組織細(xì)胞命運決定調(diào)控機(jī)制；表觀遺傳修飾調(diào)控水稻莖尖干細(xì)胞活性維持與分化的分子機(jī)制。在多個方面為干細(xì)胞再生用于植物生產(chǎn)與應(yīng)用提供理論支持。在應(yīng)用上，報道了再生相關(guān)基因提高蘋果、小麥等轉(zhuǎn)基因植株的轉(zhuǎn)化效率，提高柑橘愈傷組織的生胚能力的技術(shù)性突破。展現(xiàn)了植物干細(xì)胞與再生研究對植物生產(chǎn)與應(yīng)用的促進(jìn)作用。

來自14個國家和地區(qū)的300余名學(xué)者通過線上參加了本次會議。會議期間，參會者與報告專家討論熱烈，報告與提問精彩紛呈。墨西哥生物多樣性基因組學(xué)國家實驗室Luis Alfredo Cruz Ramirez教授在閉幕辭中指出，本次研討會推動了植物干細(xì)胞與再生領(lǐng)域的發(fā)展，在后疫情時代為國際同行們開展深度交流與合作提供了寶貴機(jī)會。

該研討會由華中農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院陳春麗教授在全球范圍內(nèi)首次發(fā)起，會議期間成立了植物干細(xì)胞國際組委會，專家分別來自中國、美國、英國、日本、沙特與墨西哥。組委員確定了2023年植物干細(xì)胞研究國際研討會將在沙特阿卜杜拉國王科技大學(xué)舉行，后期將持續(xù)推動國內(nèi)外植物干細(xì)胞研究群體的溝通和交流。