Trends in Plant Science | 植物侧根发生调控网络中的多层调控因子

学术 2024-10-29 18:26 湖北

侧根的形成是植物根系发展的关键过程，它涉及到一系列复杂的细胞分裂和分化事件，受到激素信号、转录因子、代谢物以及活性氧等多层调控因子的精细调控。这个过程从亲代根的特定区域开始，形成侧根原基，最终突破表皮生长成新的侧根，从而增加根的表面积，提高植物对水分和养分的吸收能力。自20世纪90年代以来，对拟南芥（Arabidopsis thaliana）的大量实验数据帮助揭示了LR形成的调控网络，其中动态的 auxin 分布和转录级联反应指导根细胞通过其器官发生途径。这个网络中的一些部分在不同植物物种或不同的发育背景中似乎是保守的。近日法国大学发展研究所Soazig Guyomarc’h教授在Trends in Plant Science期刊上发表了题为“Multiple layers of regulators emerge in the network controlling lateral root organogenesis”的综述总结了近年来植物侧根形成背后的复杂调控网络。

图1. 植物侧根形成的调控网络

在模式植物拟南芥侧根形成过程中的多层调控网络中，auxin信号模块（以绿色表示）涉及了多个关键的转录因子和激素信号通路，如AUXIN RESPONSE FACTORS (ARFs)、LATERAL ORGAN BOUNDARIES DOMAINs (LBDs) 和 MYeloBlastosis (MYB) 转录因子，它们共同参与了侧根的起始、模式形成和功能组织。此外，超长链脂肪酸（VLCFAs，以橙色表示）和活性氧（ROS，以红色表示）的生物合成途径在侧根的形态建成和突破表皮过程中起着至关重要的作用。这些因素之间的相互作用，包括激活和抑制，通过直接或间接的联系，构成了一个复杂的调控网络，使得侧根的形成能够精确地响应内源激素信号和外界环境变化，从而在植物适应土壤异质性中发挥关键作用。在LR形成过程中，细胞分裂和细胞身份的变化促进了从原始周皮细胞到圆顶形LR分生组织（LRP）的转变。对拟南芥根段进行单细胞RNA测序（scRNAseq）分析，揭示了周皮细胞的异质性和木质部极周皮细胞过渡到LRP形成的发育轨迹。

图2. 环境信号对侧根发育的调节

植物根系结构（RSA）的可塑性是植物适应变化环境的重要机制。这种可塑性的一个重要组成部分是调节对土壤中局部营养可用性的LR形成。水分分布可驱动控制根分枝的组织中的激素分布，土壤水分分布是LR模式形成的关键调节因子，其中水的可用性影响依赖于植物激素调控。土壤微生物的相互作用对LR形成也至关重要，因为它们是入侵的首选位点。在这些微生物中，根部细菌（PGPR）通过与auxin和乙烯依赖的LR形成机制相互作用，诱导LR的起始和出现。侧根是许多有益土壤微生物的栖息地，包括固氮细菌和菌根真菌，这些微生物可以提高植物的营养吸收能力和疾病抵抗力。

侧根对于植物的生长和适应性至关重要。它们不仅增强了植物在异质土壤环境中的资源获取能力，还有助于植物在面对干旱、盐碱等逆境时的生存。此外，侧根的形成也是农业育种中提高作物产量和抗逆性的重要靶点，通过改善侧根的发展，可以培育出更适应多变环境的作物品种，从而提高农业生产的可持续性。

单细胞转录组以及空间转录组的发展为研究LR发育过程提供了前所未有的分辨率，从单细胞水平上比较远缘物种的根相关器官形成系统发育过程，以及在现实土壤环境中整个根系发育过程。这些新数据为在不同组织和远缘物种中保守的LR发育机制提供了的新见解。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1360138524002681

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