《Science》突破性发现！中科院研究员以第一和通讯作者发文揭示土壤中植物根系生长新机制
学术
2024-11-15 14:11
法国
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植物三维结构的发展核心在于细胞分裂方向的精准调控。通过平周分裂，植物细胞能够促进径向生长，使植物变粗；而通过垂周分裂，则能推动纵向生长，让植物增高。这种分裂方向的不同组合造就了自然界中丰富多样的植物形态。然而，控制这些分裂方向的具体机制至今仍不完全清楚。探索和理解这些关键因素及其运作方式，对于从细胞层面设计和调整植物结构而言，具有重大的理论和实践价值。![]()
2024年11月15日，中国科学院遗传与发育生物学研究所杨宝军团队和根特大学Bert De Rybel研究组合作在Science在线发表了题为“SPL13 controls a root apical meristem phase change by triggering oriented cell divisions”的研究论文。这项研究深入探讨了根系形态随时间和空间变化的过程及其背后的分子机制。研究者们构建了一个用于检测植物细胞分裂方向变化的筛选系统，并测试了超过15,000种化合物，最终识别出一种名为coral7的小分子化合物，该化合物能够影响植物细胞分裂的方向。进一步研究表明，coral7通过调节转录因子SPL13（类似鳞茎启动子结合蛋白的转录因子）的表达，进而控制细胞分裂方向。这一发现不仅揭示了SPL类转录因子如何通过调控细胞分裂方向来影响根尖分生组织的形态特征及其随时间的变化，而且为调整植物根系形态提供了一条潜在路径。化学遗传学的方法可以有效地解决因基因冗余或遗传变异导致的实验障碍。为寻找调控植物细胞分裂方向的关键因子，研究团队开发了一套基于细胞分裂方向变化的形态学筛选系统。利用双色标记的BY2植物细胞和高通量荧光共聚焦技术，他们对超过15,000种化合物进行了筛选，成功鉴定了能在细胞系和植物体内改变细胞分裂方向的化合物coral7。此外，研究团队还试图通过化学修饰coral7来确定其直接作用的蛋白质目标，但由于修饰后的化合物丧失了生物活性，他们转向使用转录组测序技术来探索coral7可能影响的关键基因。通过对coral7处理的根系样本进行多时间点分析和上调基因的筛选，研究团队发现过表达转录因子SPL13可以显著改变根系形态。组织切片结果显示，不同类型的细胞分裂方向均发生改变，导致根尖分生区变宽，这表明coral7可通过SPL13调节细胞分裂方向。进一步的SPL13表达分析和突变体实验确认了coral7通过增加SPL13的表达促进了细胞分裂方向的变化。已有研究表明，SPLs在植物年龄和开花过程中起着至关重要的调控作用。为了探究SPL13及其同源基因在根尖分生组织中调控细胞分裂方向的意义，研究团队详细分析了根系分生区随时间发展的形态特征。研究发现，随着植物生长，根系形态会发生显著变化，包括中间皮层的形成以及分生区的显著增宽。这些变化需要细胞分裂方向的重新设定，并引入更多的平周分裂。基于SPL13及其同源基因的时间和空间表达模式，研究发现与野生型相比，spl突变体在中间皮层形成和分生区增宽方面表现出明显的缺陷。这表明，SPL通过精确的时间和空间表达来调控细胞分裂方向，从而实现根系的增粗。SPL13下游基因的分析显示，它能有效激活细胞周期相关基因CYCB1和内皮层细胞分裂方向基因CYCD6;1的表达，并且这一过程依赖于SHR信号通路。此外，通过对单子叶植物水稻及其spl突变体的研究，也证实了SPL在水稻根尖分生组织细胞分裂方向和根系增粗中的关键作用，表明SPL是植物根系形态重塑的一个保守基因。总之，本研究通过化学遗传学方法结合细胞筛选策略，成功鉴定出了调控细胞分裂方向的化合物coral7，并发现了转录因子SPLs的新功能——调控植物细胞分裂方向。该研究不仅揭示了SPL分子模块在根系形态随时间和空间变化中的作用，还为实现根系的遗传改良和形态重塑提供了重要的参考信息。中国科学院遗传与发育生物学研究所杨宝军研究员为该论文的第一作者和通讯作者，根特大学博士研究生孙延彪为共同第一作者，根特大学Bert De Rybel教授为共同通讯作者。此外，遗传发育所助理研究员葛艳花和硕士研究生岳倩如作为共同作者为该研究做出重要贡献。本研究特别感谢国家自然科学基金委“原创探索计划-32350005植物细胞分裂方向控制的四维理论”对该项目提供的重要资助；该研究同时得到了国家自然科学基金面上项目及欧洲ERC等项目的资助。![]()
