花發(fā)育干細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)及基因調(diào)控研究進(jìn)展

李玉軍，趙 燕，湯 賓，張學(xué)文

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)生物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，長沙410128）

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花發(fā)育干細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)及基因調(diào)控研究進(jìn)展

李玉軍，趙 燕，湯 賓，張學(xué)文*

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)生物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，長沙410128）

摘 要：植物干細(xì)胞的調(diào)控是一個動態(tài)的、網(wǎng)絡(luò)化的過程。近年來植物干細(xì)胞相關(guān)研究已經(jīng)有了較大進(jìn)展，不斷有新的參與干細(xì)胞調(diào)控的基因和機(jī)理被發(fā)現(xiàn)。綜述了近年來植物干細(xì)胞調(diào)控相關(guān)研究進(jìn)展，重點針對信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑和植物花器官發(fā)育干細(xì)胞調(diào)控網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了闡述，歸納出較清晰的基因調(diào)控路徑和模型，便于認(rèn)識植物花器官發(fā)育中干細(xì)胞的時空調(diào)控方式。

關(guān)鍵詞：花發(fā)育；干細(xì)胞；信號通路；基因調(diào)控

植物干細(xì)胞又稱為胚性細(xì)胞，是一類具有自我更新和分化能力的細(xì)胞。植物發(fā)育過程的重大事件都涉及對干細(xì)胞的調(diào)控，包括植物胚胎發(fā)育、根的生長、葉的起始、花的發(fā)育以及胚珠的形成。這些事件中對干細(xì)胞的調(diào)控方式大體是相同的，都需要在分化的組織中抑制干細(xì)胞相關(guān)基因的表達(dá)使其進(jìn)入分化發(fā)育模式，而在確定的位置繼續(xù)維持干細(xì)胞的活性。

花發(fā)育干細(xì)胞調(diào)控是一個復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)式調(diào)控過程。細(xì)胞分裂素是干細(xì)胞重要的內(nèi)源信號，而最終信號調(diào)控的關(guān)鍵是靶向WUSCHEL（WUS）基因［1］。WUS基因最早由Laux發(fā)現(xiàn)并確定其功能。WUS是特異性維持莖尖、花分生組織結(jié)構(gòu)和功能完整性的一轉(zhuǎn)錄因子，保守性的抑制干細(xì)胞分化因子的表達(dá)，WUS通過調(diào)控干細(xì)胞的分裂維持干細(xì)胞數(shù)量的相對穩(wěn)定［2，3］。目前對植物干細(xì)胞的調(diào)控研究都指向?qū)US基因的相關(guān)調(diào)控研究上，在花發(fā)育過程中WUS更多的是作為負(fù)調(diào)控角色激活其他花發(fā)育參與因子，反饋抑制干細(xì)胞的活動維持花發(fā)育模式［4，5］。WUS的調(diào)控涉及多個方面，包括基因表達(dá)所需的所有過程：內(nèi)源信號的產(chǎn)生、信號的傳遞和信號的轉(zhuǎn)導(dǎo)、信號調(diào)節(jié)作用、轉(zhuǎn)錄過程、翻譯過程以及其mRNA的降解（轉(zhuǎn)錄后調(diào)控）等，這一系列過程都將影響WUS的表達(dá)，形成對植物干細(xì)胞的時空調(diào)控網(wǎng)。但近年來諸多研究表明，與干細(xì)胞調(diào)控相關(guān)因子并非都作用于WUS維持干細(xì)胞數(shù)量的平衡及分裂模式［6］，可能還存在多條并行的干細(xì)胞調(diào)控途徑，WUS也并非唯一能使細(xì)胞維持干細(xì)胞特征的因子，這也說明植物干細(xì)胞的調(diào)控比預(yù)期的更加復(fù)雜。

1 CLV-WUS干細(xì)胞信號調(diào)控通路

1.1 胞外信號肽研究

體細(xì)胞胚胎發(fā)生的研究發(fā)現(xiàn)，胚細(xì)胞與周邊細(xì)胞存在物理性隔離現(xiàn)象，即干細(xì)胞群外周包圍著一層較厚的細(xì)胞壁與相鄰細(xì)胞形成顯著的界線［7］。花分生組織靜止中心之上的中心區(qū)由三層細(xì)胞形成嵌套結(jié)構(gòu)：L1層細(xì)胞參與防御機(jī)制的建立，L2層細(xì)胞涉及DNA修復(fù)和端粒的維護(hù)，L3層細(xì)胞負(fù)責(zé)維護(hù)分生組織內(nèi)的離子平衡。其中CLV-WUS反饋調(diào)節(jié)機(jī)制就發(fā)生在這三層嵌套結(jié)構(gòu)的細(xì)胞中［8］。CLV-WUS反饋調(diào)節(jié)環(huán)路是最早被發(fā)現(xiàn)的與WUS調(diào)控相關(guān)的信號通路，CLV-WUS為受體蛋白激酶信號通路［2，9］，CLAVATA3（CLV3）是分泌型的多肽，分泌到質(zhì)外后其C端經(jīng)多種蛋白酶的剪切加工以及糖基化修飾，形成具有多對內(nèi)二硫鍵的糖肽結(jié)合在細(xì)胞膜上作為胞外信號受體［10，11］。WUS信號傳遞通路中除了CLV3作為胞外信號受體外，與CLV3同屬多肽配體家族的CLEs也具有同樣的功能，多個CLEs基因的過表達(dá)可以在一定程度上修復(fù)clv3的突變表型［12，13］。CLEs偶聯(lián)多種環(huán)境響應(yīng)信號以及生理脅迫信號參與一系列植物生理反應(yīng)信號途徑［14］。在擬南芥花發(fā)育過程中有19個CLEs成員參與其發(fā)育過程，其中CLE4、CLE10、CLE17、CLE27參與花的發(fā)育過程，這些基因的缺失突變或多或少的導(dǎo)致分生組織干細(xì)胞調(diào)控的混亂，出現(xiàn)不同程度的花發(fā)育異常［15］。這說明CLEs在一定程度與CLV3存在功能冗余，即CLEs可能作為CLV3的補(bǔ)充性信號受體存在，以完善植物系統(tǒng)性修復(fù)機(jī)制，降低不可控因素對植物的危害，保證植物體自身正常的生長生殖發(fā)育的進(jìn)行。此外，Engstrom研究揭示GARS家族轉(zhuǎn)錄因子HAIRY MERISTEM（HAM）參與CLV3和干細(xì)胞表達(dá)的空間位置信息的監(jiān)控過程，Atham1，2，3導(dǎo)致CLV3和WUS表達(dá)部位的細(xì)胞層整體下移；有趣的是ant ail6中的CLV3和WUS的分布位置發(fā)生了互換，且ant／ail6、ham都表現(xiàn)分生組織分布向周邊區(qū)域擴(kuò)展現(xiàn)象，但HAM與ANT／AIL6是否存在交互作用目前尚不清楚［16］。Zhou最近的研究證實HAM與WUS存在互作關(guān)系，HAM和WUS交互作用于相同的靶基因推動下游調(diào)控事件的進(jìn)行，促進(jìn)干細(xì)胞的增值；兩者重疊表達(dá)模式中顯現(xiàn)的差異是多元干細(xì)胞微環(huán)境建立的基礎(chǔ)，關(guān)于分生組織干細(xì)胞產(chǎn)生的調(diào)控機(jī)理還需要進(jìn)一步的研究［17］。

1.2 信號跨膜轉(zhuǎn)導(dǎo)復(fù)合物研究

參與CLV-WUS通路跨膜信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中間體大多以復(fù)合物形式存在。目前已揭示的參與這一過程的復(fù)合物有5類：CLV1復(fù)合體由具有跨膜結(jié)構(gòu)的受體蛋白激酶CLV1和CLE2配體形成［18，19］；CLV2信號傳導(dǎo)復(fù)合物由CLV2和CORYNE／（CRN／SOL2）組成，其中CRN／SOL2CRN是不具備胞外結(jié)構(gòu)的受體蛋白激酶［20］。CRN／SOL2復(fù)合物作為CLV2胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域的補(bǔ)充協(xié)同CLV2完成信號轉(zhuǎn)導(dǎo)以及與其他信號傳遞復(fù)合物互作實現(xiàn)信息共享，crn/sol2出現(xiàn)與clv相似的突變表型，花分生組織WUS的表達(dá)范圍擴(kuò)大，雌蕊群異常擴(kuò)張，形成更多的雄蕊和花瓣，crn clv1出現(xiàn)明顯的表現(xiàn)累加效應(yīng)，sol2在擬南芥花的第4輪長出更多的心皮，同時Miwa的研究表明，CRN／SOL2復(fù)合體還參與CLEs的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程［21，22］。信號由胞內(nèi)到核內(nèi)的傳遞過程涉及兩個途徑：一條是CLV1和CLV2復(fù)合物自磷酸化激活蛋白激酶MAPKs引起級聯(lián)反應(yīng)，最終將信號傳遞給核內(nèi)靶基因WUS［23］；另一條傳遞路徑涉及下游的一個中間信號傳遞復(fù)合體POLTERGEIST（POL1／PLL1），POL1／PLL1編碼蛋白磷酸酶，POL1／PLL1在體外磷脂PI（4）P誘導(dǎo)下結(jié)合到質(zhì)膜上與CLV1、CLV2復(fù)合物進(jìn)行互作，通過對目標(biāo)蛋白的?；屯榛揎椬饔猛瓿尚盘柕陌邢騻鬟f，POL1/ PLL1的過表達(dá)導(dǎo)致分生組織干細(xì)胞的累積［24～26］。Song研究發(fā)現(xiàn)，pol1/pll1可以抑制clv突變表型，Yu的進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，pol1幾乎完全抑制clv1的突變表型，而對clv2的突變性狀只能起到部分抑制效果，這表明CLV1、CLV2共同作用于POL1／PLL1復(fù)合體參與的信號傳導(dǎo)通路，同時也提示CLV2復(fù)合物可能參與獨立于CLV1的未知信號傳遞通路，所以clv1、clv2突變表型弱于clv3［27，28］。

其他三個信號傳遞復(fù)合物是BARELY ANY MERISTEM（BAM）、RECEPTOR-LIKE2／TOADSTOOL2（RKP2／TOAD2）和ERECTA（ER）。Young等發(fā)現(xiàn)，bam1bam2bam3表現(xiàn)出與clv1類似的突變表型；進(jìn)一步研究表明，BAM復(fù)合物與CLV3存在相互作用，同時BAM也參與CLEs的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程，說明BAM是獨立于CLV1存在的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)復(fù)合物［29，30］。最新研究發(fā)現(xiàn)，BAM和CLV1之間表現(xiàn)的功能冗余實際上是因為在正常情況下CLV1抑制BAM的表達(dá)，BAM可能是CLV1表達(dá)調(diào)控機(jī)制的一環(huán)，保證CLV-WUS信號通路的相對穩(wěn)定［31］。RKP2／TOAD2編碼受體蛋白激酶。有研究發(fā)現(xiàn)，RKP2／TOAD2也是獨立的參與CLV3的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)復(fù)合體之一，rpk2花分生組織突變表型弱于clv，rpk2-2在花的基部產(chǎn)生新的花序，rpk2-4通常會在心皮中形成更多的雌蕊，RKP2/TOAD2與CLV的雙突變體性狀顯現(xiàn)出較clv更嚴(yán)重的干細(xì)胞累積和WUS表達(dá)部位的異位現(xiàn)象［32，33］。Urano等證實RKP2／TOAD2與異三聚體G蛋白共同組成信號模塊將CLV3的信號傳遞到胞內(nèi)，擬南芥中轉(zhuǎn)錄編碼G蛋白的基因AGB1的缺失突變體agb1表現(xiàn)出與clv相似的干細(xì)胞分布區(qū)域擴(kuò)大表型，agb1 clv2雙突變體較clv2的心皮變短而數(shù)目增多［34］。BAM和RKP2／TOAD2都是廣泛性的信號傳遞中間體，同時可以接收CLV3和CLEs信息，參與包括干細(xì)胞調(diào)控在內(nèi)的諸多植物生理信號傳導(dǎo)過程，BAM和RKP2／TOAD2可能在CLV-WUS干細(xì)胞調(diào)控信號跨膜轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中起補(bǔ)充作用［35］。ERECTA（ER）是富含亮氨酸的類受體蛋白激酶，ER具備實現(xiàn)信號由胞外到胞內(nèi)傳遞功能的跨膜結(jié)構(gòu)域和胞外結(jié)構(gòu)域。目前的研究表明，ER作為第二條受體蛋白激酶信號通路參與花分生組織細(xì)胞中WUS表達(dá)的調(diào)控，間接影響花原基形成確定［36，37］。Uchida等研究證實，ER參與的信號調(diào)控影響了干細(xì)胞的分化，從而導(dǎo)致分生組織中的干細(xì)胞積累，CLV3參與干細(xì)胞的分裂過程，clv3因為干細(xì)胞分裂活動的失控而出現(xiàn)干細(xì)胞累積［38］。ER和CLV3可能參與對分生組織內(nèi)細(xì)胞分裂素緩沖機(jī)制的建立，在多種信號作用下實現(xiàn)對干細(xì)胞數(shù)量的精確調(diào)控［39］。

細(xì)胞信號調(diào)控通路對干細(xì)胞調(diào)控是非細(xì)胞自主性的。正常花發(fā)育過程中干細(xì)胞信號調(diào)控通路（圖1）首先是保證信號的有效傳遞，響應(yīng)外界各種物理和生理性脅迫信號以及內(nèi)源信號，然后將這些信號進(jìn)行綜合、解析、處理，傳遞到胞內(nèi)使干細(xì)胞分裂分化，從而保證干細(xì)胞在時間和空間上處于最適宜狀態(tài)，使植物各項發(fā)育活動正常進(jìn)行。

圖1 植物干細(xì)胞調(diào)控的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)Fig.1 The pathways of stem cell signal transduction in plant

2 干細(xì)胞調(diào)控網(wǎng)與花器官形成的時空性

2.1 以AP2為核心偶聯(lián)細(xì)胞信號調(diào)控通路的干細(xì)胞調(diào)控網(wǎng)

大量的研究表明，分生組織與相應(yīng)的發(fā)育器官的細(xì)胞命運，取決于發(fā)育細(xì)胞的空間位置信息而非遺傳信息，對特定細(xì)胞命運的確立依賴對特定細(xì)胞群的一系列精確而有序的調(diào)控，從而保證器官發(fā)育的正確有序進(jìn)行。在花發(fā)育初期，干細(xì)胞因WUS在中心區(qū)域的小范圍內(nèi)被激活，而CLV-WUS反饋調(diào)節(jié)環(huán)實現(xiàn)了干細(xì)胞在中心區(qū)域的數(shù)量和空間位置的穩(wěn)態(tài)。在隨后的花發(fā)育事件中對干細(xì)胞的空間、時間調(diào)控是花器官各原基正確起始的關(guān)鍵，參與花發(fā)育干細(xì)胞調(diào)控的相關(guān)因子形成了兩個相對獨立的調(diào)控網(wǎng)，花發(fā)育前中期形成了以APETALA 2（AP2）為核心偶聯(lián)細(xì)胞信號調(diào)控通路的干細(xì)胞調(diào)控網(wǎng)。SQUINT（SQN）是細(xì)胞親環(huán)素CYP40的同源基因，早期的研究認(rèn)為SQN參與對AG的表達(dá)調(diào)控，Prunet等發(fā)現(xiàn)rbl-1 sqn-1 ult-1第四輪花器官中的AGAMOUS（AG）表達(dá)量下降［40］。最近的研究證實，SQN是microRNA172的上游調(diào)控基因，SQN的缺失突變體表型與miRNA172具有相似之處，都出現(xiàn)花序發(fā)育異常，還發(fā)現(xiàn)ap-2的表型弱于sqn，sqn-4 ag-6較ag-6產(chǎn)生更多的花器官，且花萼花瓣的相間出現(xiàn)。這表明SQN通過miRNA172影響了花同源轉(zhuǎn)換基因的表達(dá)，間接影響了干細(xì)胞的活動［41］。巧合的是，sqn的諸多表型與表型較弱的clv相似，而在clv背景下SQN的缺失對clv的影響卻很小，因此SQN可能參與對CLV的調(diào)控，而miRNA165／166-HD-Zip III-CLV是目前已證實涉及對CLV的調(diào)控通路，所以筆者推測SQN也可能影響microRNA165／166的表達(dá)。ARGONAUTE（AGO）編碼EIF2C蛋白，研究發(fā)現(xiàn)AGO1和AGO10參與對miRNA165／166調(diào)控以及miRNA172對AP2的調(diào)控過程，其中AGO1作為miRNA的效應(yīng)蛋白通過PIWI和PAZ結(jié)構(gòu)域與HESO1（miRNA甲基化轉(zhuǎn)移酶）相互作用，結(jié)合到miRNA的3′端，形成對miRNA甲基化保護(hù)性機(jī)制［42～44］；Zhu等則證實AGO10通過與AGO1的競爭性結(jié)合作用解除對miRNA165／166的甲基化，并作為誘導(dǎo)劑維持miRNA165／166在分生組織干細(xì)胞中的表達(dá)，因此AGO10的缺失導(dǎo)致分生組織的發(fā)育受阻甚至消失，ago10-13表現(xiàn)出雌蕊原基的異位表達(dá)，心皮膨大變短，ag-10 ago10-13出現(xiàn)更為嚴(yán)重的花突變表型，花器官變少，心皮膨大更明顯甚至導(dǎo)致異位心皮的暴露［45］。Williams等闡明了JABBA（JBA）、miRNA 166、HD-ZipⅢ型轉(zhuǎn)錄因子之間的調(diào)控路徑，JBA在RNaseⅢ和RNA解旋酶的協(xié)同作用下導(dǎo)致miRNA 166的過表達(dá)從而使PHB、PHV、CAN的表達(dá)下調(diào)，造成jba-1D出現(xiàn)花分生組織簇生、花序異常、雌蕊發(fā)育不良等現(xiàn)象［46］。POWERDRESS （PWR）編碼具有SANT結(jié)構(gòu)域的蛋白，Yumul等發(fā)現(xiàn)PWR促進(jìn)miRNA172和CRC的表達(dá)，導(dǎo)致干細(xì)胞累積和心皮發(fā)育異常。ag-10 pwr-1的雌蕊柄伸長，較ag-10心皮變短且內(nèi)含異位心皮致使心皮的膨大，pwr-1和pwr-2的心皮頂端變寬；pwr-1、pwr-2、Col的相關(guān)基因的定量分析比較發(fā)現(xiàn)miRNA172和CRC的表達(dá)明顯下調(diào)［47］。

Wu等證實miRNA172參與了對AP2的負(fù)調(diào)控過程，miRNA172的過表達(dá)導(dǎo)致第2、3輪花器官的形成出現(xiàn)混亂［48］。Wollmann等認(rèn)為miRNA172通過監(jiān)管AP2的表達(dá)使第2、3輪花器官形成過程中AP2和AG的活動處在相對平衡狀態(tài)，以保證花瓣和雄蕊形態(tài)和位置的正確性，pAP3∶MIM172的部分雄蕊轉(zhuǎn)換成花瓣，pAP3∶amiR-AP2出現(xiàn)異常形態(tài)的花瓣［49］。在其他多個物種的相關(guān)研究也證實了miRNA172對AP2的表達(dá)調(diào)控是保守性的，miRNA172的缺失都會導(dǎo)致花發(fā)育的異常［50］。Grigorova等和Sitaraman等在miRNA172與AP2之間發(fā)現(xiàn)一個由SEUSS/LEUNIG（SEU/LUG）以及SPOROCYTELESS（SPL）構(gòu)成的反饋調(diào)節(jié)環(huán)，在第一輪花器官的形成過程中AP2招募SEU和LUG抑制miRNA172的表達(dá)，使AP2的表達(dá)上調(diào)為第二輪花器官的形成做前期準(zhǔn)備［51，52］。在SEU和LUG存在的植物細(xì)胞瞬時表達(dá)體系中，Sridhar等發(fā)現(xiàn)AG的順式作用元件驅(qū)動的報告基因可以響應(yīng)APETALA1 （AP1）和SEPALLATA3（SEP3）介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄抑制活動，這表明AP1、SEP3是SEU和LUG的靶向DNA結(jié)合基因［53］。miRNA165的過表達(dá)導(dǎo)致HD-Zip III型轉(zhuǎn)錄因子（PHB、PHV、REV、ATHB-8，ATHB -15）的轉(zhuǎn)錄水平下調(diào)，并影響生長素合成以及生長素響應(yīng)基因的表達(dá)，HD-ZipⅢ過表達(dá)植株心皮極性的建立出現(xiàn)異常，著生異位心皮，心皮內(nèi)胚珠暴露，phb phv can還出現(xiàn)了多心皮現(xiàn)象［54，55］。Jia等利用短串聯(lián)目標(biāo)模擬技術(shù)（STTM）對miRNA165／166的研究發(fā)現(xiàn)，miRNA165／166通過HD-Zip III影響非生物脅迫信號途徑，STTM165/166通過抑制miRNA165／166上調(diào)HD-ZipⅢ的轉(zhuǎn)錄水平，其擬南芥轉(zhuǎn)基因植株因雄蕊變短而導(dǎo)致不育［56］。

PHABULOSA（PHB）、PHAVOLUTA（PHV）、CORONA（CNA）是相互之間存在功能冗余的HD-ZipⅢ型轉(zhuǎn)錄因子。該轉(zhuǎn)錄因子包含4個功能結(jié)構(gòu)域，其中HD結(jié)構(gòu)域參與對靶基因的表達(dá)調(diào)控。Lee認(rèn)為PHB、PHV、CNA三者是通過非WUS調(diào)控途徑對干細(xì)胞進(jìn)行調(diào)控，但其機(jī)制目前尚不清楚［57］。也有資料表明HD-ZipⅢ型轉(zhuǎn)錄因子作用于生長素響應(yīng)因子ARF影響分生組織區(qū)域內(nèi)的生長素濃度和分布，進(jìn)而參與干細(xì)胞的調(diào)控；Lee等推測PHB、PHV、CNA三者可能與CLV表達(dá)相關(guān)，HD-ZipⅢ型轉(zhuǎn)錄因子串聯(lián)CLV-WUS信號通路間接參與花發(fā)育干細(xì)胞的調(diào)控［58］；Landau等證實HD-ZipⅢ也可以協(xié)同ER參與花分生組織細(xì)胞的信號傳導(dǎo)通路［59］?？傊?，HD-ZipⅢ型轉(zhuǎn)錄因子對干細(xì)胞的調(diào)控途徑是多樣性的。在HD-ZipⅢ的調(diào)控通路中同時還存在反饋調(diào)節(jié)機(jī)制，Brandt對rev-5、rev-6表達(dá)分析時發(fā)現(xiàn)AGO10表達(dá)受到抑制，phb phv rev分生組織中幾乎沒有AGO10的表達(dá)，而phb phv rev/＋出現(xiàn)AGO10表達(dá)的上調(diào)，這說明HD-ZipⅢ型轉(zhuǎn)錄因子REVOLUTA（REV）與AGO10的表達(dá)調(diào)控相關(guān)，HD-ZipⅢ形成了對自身表達(dá)的反饋調(diào)節(jié)環(huán)［60］。JAIBA（JAB）是植物特異性HD-ZipⅡ型轉(zhuǎn)錄因子，參與植物的避蔭反應(yīng)和激素信號通路過程，對花的形態(tài)建成有重要影響。Turchi等發(fā)現(xiàn)這類轉(zhuǎn)錄因子在光途徑介導(dǎo)下實現(xiàn)了對細(xì)胞內(nèi)生長素的分布和濃度的調(diào)控，從而影響分生組織干細(xì)胞的分裂和分化，參與干細(xì)胞穩(wěn)態(tài)模式的建立［61］。JAB還參與植物生殖器官的發(fā)育過程，其T-DNA插入突變體和反義抑制轉(zhuǎn)基因植株都表現(xiàn)出不同程度的雌蕊、胚珠發(fā)育受阻、花藥發(fā)育不良以及產(chǎn)生較少花粉粒［62］。Liu等證實A類基因AP2可通過調(diào)控生長素響應(yīng)因子ARF3影響局部分生組織干細(xì)胞的活性，并抑制C類基因的表達(dá)，從而規(guī)范花萼花瓣原基的空間位置［63］。AP2的表達(dá)受抑制的突變體會出現(xiàn)花器中萼片原基被其它原基替代的現(xiàn)象［64］。

2.2 以AG為核心的干細(xì)胞調(diào)控網(wǎng)

擬南芥C類基因AG在花器官的形成過程中扮演著重要角色，花發(fā)育中后期形成了以AG為核心的干細(xì)胞調(diào)控網(wǎng)。ULTRAPETALA1（ULT1）編碼具有SAND結(jié)構(gòu)域的蛋白，是trxG復(fù)合物的主要組成亞基。早期的研究普遍認(rèn)為ULT1與LEAFY（LFY）協(xié)同調(diào)控AG的表達(dá)，保證花發(fā)育事件在空間上的穩(wěn)定性［65，66］。Engehorn等的研究從多方面的比較證實ULT1和LFY對AG的調(diào)控是相對獨立的過程。對Col、lfy-6、ult1-1、ult1-1 lfy-6花中的AG表達(dá)水平的定量分析比較發(fā)現(xiàn)，lfy-6、ult1-1 lfy-6 中AG的表達(dá)水平明顯下調(diào)，而AG在ult1-1和野生型擬南芥中的表達(dá)水平相當(dāng)；同時還發(fā)現(xiàn)兩者表達(dá)的時間和區(qū)域也具有差異，LFY是在第3花期的干細(xì)胞周邊區(qū)域表達(dá)，而ULT1主要在第6花期的干細(xì)胞分布區(qū)域表達(dá)，LFY可能是在第3花期促進(jìn)AG的轉(zhuǎn)錄水平的上調(diào)，ULT1則在第6花期通過解除PcG甲基化抑制作用提高AG的表達(dá)水平［67］。Bao等鑒定了2個BRI1-LIKE（BRL）T-DNA插入突變體發(fā)現(xiàn)了嚴(yán)重的花突變表型，進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，BRL是通過直接作用于AG啟動子上的順式作用元件促進(jìn)AG的表達(dá)，同時還發(fā)現(xiàn)blr-4、blr-5在高溫脅迫下導(dǎo)致突變表型加劇。這一發(fā)現(xiàn)說明AG的調(diào)控可能串聯(lián)逆境響應(yīng)途徑［68］。Das等和Maier等發(fā)現(xiàn)，bZIP轉(zhuǎn)錄因子PERIANTHIA（PAN）通過調(diào)控AG的表達(dá)影響花發(fā)育干細(xì)胞的命運，pan導(dǎo)致花器官的數(shù)目變成5的基數(shù)，在短日照下pan顯現(xiàn)出與ag相似的表型，而pan2 ag4未出現(xiàn)表型累加效應(yīng)，因此Maier推測AG、PAN、WUS之間組成了一個負(fù)反饋調(diào)節(jié)環(huán)調(diào)控干細(xì)胞活動［69，70］。PAN通過限定AG表達(dá)的空間分布影響整個花器官的發(fā)育，perianthia-1的心皮發(fā)育出現(xiàn)異常，pan clv的花器官數(shù)目增多，seu pan雙突變體導(dǎo)致AG在第1輪花器官的異位表達(dá)，出現(xiàn)花萼轉(zhuǎn)換成花瓣現(xiàn)象［71］。

CRABS CLAW（CRC）是YABBY家族轉(zhuǎn)錄因子成員，在許多種子植物的相關(guān)研究中都證實CRC參與了心皮極性的建立和蜜腺的發(fā)育過程［72，73］。Mayo等發(fā)現(xiàn)CRC協(xié)同JAB參與花分生組織和雌蕊的發(fā)育過程［74］。Lee等在對LFY和MADSbox基因結(jié)合位點進(jìn)行遺傳表達(dá)分析時發(fā)現(xiàn)，LFY和MADS-box基因?qū)RC的表達(dá)具有重要作用，MADSbox基因通過其保守的結(jié)合位點調(diào)控CRC在蜜腺的表達(dá)［75］。KNUCKLES（KNU）、SUPERMAN（SUP）同屬于C2H2鋅指蛋白。鋅指蛋白在擬南芥中是一個龐大的群體，它們主要參與植物形態(tài)建成和環(huán)境脅迫應(yīng)答。C2H2鋅指蛋白主要通過鋅指結(jié)構(gòu)結(jié)合DNA螺旋的大溝，進(jìn)而對靶基因進(jìn)行調(diào)控［76］。KNU和SUP的T-DNA插入突變體出現(xiàn)花器官異位表達(dá)，但二者在干細(xì)胞調(diào)控網(wǎng)中的地位有差異，KNU是AG的下游作用基因，而SUP與AG很可能處在同一調(diào)控層面，SUP在ag背景下的雙突變體的花發(fā)育突變性狀并未得到進(jìn)一步的凸顯［77，78］。Nibau等發(fā)現(xiàn)，SUP影響赤霉素在干細(xì)胞中的濃度和分布，這意味著SUP是通過獨立于WUS的另一條未知途徑對花發(fā)育干細(xì)胞進(jìn)行調(diào)控［79］。Zhao等對黃瓜同源SUP的研究表明，SUP抑制雄蕊原基與心皮原基之間干細(xì)胞的活性，促進(jìn)雄蕊形態(tài)建成和心皮邊界的確定［80］。SUP的表達(dá)時空性分析發(fā)現(xiàn)，SUP在不同花期調(diào)控不同的基因群體，在花發(fā)育的早期SUP特異性參與雄蕊原基的形成，而花發(fā)育中期參與雌蕊原基細(xì)胞的分化工作［81］。

綜上所述，對干細(xì)胞直接或間接作用的因子可歸類為三個調(diào)控群體：直接作用因子、非編碼RNA和對非編碼RNA以及AG、AP2調(diào)控的基因群。這些調(diào)控因子形成了在調(diào)控方式、時間和對象上相對獨立的兩個調(diào)控網(wǎng)：以AP2為核心偶聯(lián)細(xì)胞信號調(diào)控通路的干細(xì)胞調(diào)控網(wǎng)和以AG為核心的調(diào)控網(wǎng)。其中以AP2為核心偶聯(lián)細(xì)胞信號調(diào)控通路調(diào)控網(wǎng)，偶聯(lián)激素信號響應(yīng)途徑和環(huán)境脅迫響應(yīng)途徑（例如溫度、光周期等），還可能涉及細(xì)胞非自主性調(diào)控機(jī)制，在花發(fā)育的前、中期形成對花器官發(fā)育的時空信息調(diào)控體系。以AG為核心的調(diào)控網(wǎng)則通過表觀遺傳調(diào)控機(jī)制和分子動力學(xué)調(diào)控機(jī)制，在花發(fā)育中、后期形成對花發(fā)育事件起作用的時空調(diào)控信息網(wǎng)。這兩個干細(xì)胞調(diào)控網(wǎng)相互交織形成復(fù)雜的、精確的花發(fā)育事件的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)（圖2）。

圖2 花發(fā)育干細(xì)胞基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)Fig.2 The gene regulation network of stem cell in floral development

3 H3K27me3甲基化調(diào)控機(jī)制與花發(fā)育干細(xì)胞的時空調(diào)控

在擬南芥生長發(fā)育過程中H3K27me3作用的靶基因大約有7000個。花發(fā)育干細(xì)胞調(diào)控過程中的表觀遺傳主要涉及組蛋白甲基化機(jī)制，其調(diào)控的路徑大多與AG相關(guān)，目前涉及與花發(fā)育干細(xì)胞相關(guān)的甲基化／去甲基化調(diào)控路徑有3條。其一是直接由AG通過招募PcG在H3K27me3作用下將WUS甲基化抑制WUS的表達(dá)，這條途徑對WUS抑制作用是相對溫和的，主要在花的4～6時期發(fā)揮作用［82］。這個過程涉及TOPOISOMERASE1a （TOP1a）Ⅰ型拓?fù)洚悩?gòu)酶的協(xié)同作用，TOP1a可以釋放DNA復(fù)制時的扭曲力保持核小體的穩(wěn)定性以及使其密度變小，以利于PcG與靶基因DNA結(jié)合完成對靶基因的甲基化［83］。Dinh的研究揭示TOP1a可以通過DNA甲基化和H3K9me3沉默轉(zhuǎn)座子活性來維持染色體的穩(wěn)定性。Liu等最新的研究也表明，TOP1a通過改變核小體的分布來影響PcG介導(dǎo)的組蛋白修飾，而決定是否促進(jìn)PCG與靶向基因的結(jié)合關(guān)鍵在于TOP1a的5′端一個功能區(qū)［84］。因此有學(xué)者推測TOP1a通過促進(jìn)PcG介導(dǎo)的H3K27me2抑制WUS的表達(dá)，因此ag-10 top1a-2花分生組織異位表達(dá)以及top1a-1出現(xiàn)花序混亂現(xiàn)象。TOP1a也可以在DNA的復(fù)制階段通過調(diào)控WUS的拷貝數(shù)來影響WUS后續(xù)的表達(dá)水平。第二條途徑是AG調(diào)控KNU表達(dá)過程涉及的組蛋白甲基化機(jī)制。KNU最早是通過對EMS誘變突變體knu -1的基因定位而被發(fā)現(xiàn)，KNU編碼C2H2鋅指蛋白，對knu-1突變體的形態(tài)學(xué)觀察發(fā)現(xiàn)其雄蕊、心皮出現(xiàn)異位表達(dá)現(xiàn)象和雌蕊柄伸長的現(xiàn)象。Sun將35S：：KNU-AR轉(zhuǎn)入ag-1形成的轉(zhuǎn)基因植株中，發(fā)現(xiàn)其花分生組織中央的圓頂形干細(xì)胞團(tuán)發(fā)育恢復(fù)正常，這證實了KNU是AG下游對WUS進(jìn)行調(diào)控的基因［85］。然而AG-KNU的表達(dá)調(diào)控在時間上出現(xiàn)了延遲，GUS組織表達(dá)特異性分析表明，KNU在5 ～6花期開始表達(dá)，而AG的表達(dá)是在第3花期開始的［86］。針對這種現(xiàn)象以及基于Petruk發(fā)現(xiàn)在細(xì)胞分裂的DNA復(fù)制過程中DNA的甲基化會被忠實的復(fù)制保留現(xiàn)象，Sun提出了甲基化稀釋原理，即已被甲基化的KNU需要AG通過與PRC2的組件ENDOSPERM 1（FIE）的競爭占據(jù)FIE在KNU啟動區(qū)域的特異性結(jié)合位點PERs，從而抑制甲基化忠實保留機(jī)制，在經(jīng)過大約2 d時間進(jìn)行2次細(xì)胞分裂后，KNU才有足夠多的未被甲基化的DNA拷貝啟動自身表達(dá)，行使相關(guān)功能［87，88］。事實上AG的表達(dá)模式與KNU類似，AG-WUS反饋調(diào)節(jié)通路中AG的表達(dá)相對WUS的表達(dá)也是延遲的，延遲的時間也大致相同約2 d，WUS激活A(yù)G的表達(dá)涉及一個PcG抑制因子LFY參與，AG在花發(fā)育早期也可能處于甲基化抑制狀態(tài)，LFY解除PcG對AG的甲基化抑制狀態(tài)，激活A(yù)G的表達(dá)［89］。PcG復(fù)合物中的兩個重要甲基轉(zhuǎn)移酶基因CURLY LEAF（CLF）和SWINGER（SWN）的功能性缺失同樣會影響干細(xì)胞的表觀遺傳調(diào)控體系［90，91］。

4 展望

花的發(fā)育涉及到一個復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。目前植物花的發(fā)育研究已深入到了表觀遺傳學(xué)，特別是涉及WUS表觀遺傳調(diào)控的研究工作已經(jīng)有了較大進(jìn)展，不斷有新的參與干細(xì)胞調(diào)控的基因和調(diào)控機(jī)理被發(fā)現(xiàn)。其中朱健康揭示一個組蛋白乙?；窱DM1參與植物去甲基化作用機(jī)制的建立，這個發(fā)現(xiàn)對現(xiàn)有的干細(xì)胞甲基化調(diào)控體系造成了沖擊［92］。WUS和HAM交互作用的證實和AINTEGUMENTA （ANT）和AINTEGUMENTA-LIKE（AIL）基因作用機(jī)理的進(jìn)一步揭示，都需要對干細(xì)胞調(diào)控體系進(jìn)行重新歸納總結(jié)；同時花發(fā)育過程中的某些突變性狀仍然無法給出合理的解釋，需要建立更為合理的調(diào)控體系給新出現(xiàn)的調(diào)控基因和調(diào)控方式預(yù)留位置。另一方面，對干細(xì)胞調(diào)控的量化也存在困難，WUS基因表達(dá)的mRNA降解過程的相關(guān)研究也十分缺乏，而WUS基因的表達(dá)量以及干細(xì)胞的數(shù)量的精確調(diào)控是實現(xiàn)花器官正確定位的保證，例如han出現(xiàn)分生組織的發(fā)育延遲，細(xì)胞分裂模式的異常，HANABA TANARU（HAN）通過監(jiān)控干細(xì)胞的數(shù)量和位置信息參與不同花器官邊界的確定，因此需要更多的研究才能對干細(xì)胞的數(shù)量和WUS基因的表達(dá)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的構(gòu)建和量化描述［93，94］。植物的生殖發(fā)育是植物生活史上的重要事件，在種子植物發(fā)育中花器官發(fā)育在生殖發(fā)育過程中無疑占有尤為重要的地位。生殖器官發(fā)育的復(fù)雜性取決于花器官形成的精確性要求，這種精確性要求是對干細(xì)胞和WUS的位置信息、時鐘信息、量化信息三者的協(xié)調(diào)統(tǒng)一性的調(diào)控。

本文梳理了近年來植物干細(xì)胞調(diào)控相關(guān)研究進(jìn)展，構(gòu)建了較為清晰的、多方位的植物花發(fā)育干細(xì)胞調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，旨在多方面的探討、整合相關(guān)研究形成的關(guān)于植物花發(fā)育干細(xì)胞的時空調(diào)控模式，為今后的研究提供思路和框架性認(rèn)識。

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The Research Progress of Stem Cell Signal Transduction and Gene Regulation in Floral Development

LI Yujun，ZHAO Yan，TANG Bin，ZHANG Xuewen*
（College of Bio-science and Technology，Hunan Agricultural University，Changsha，Hunan 410128，China）

Abstract：Plant stem cell regulation is a dynamic process and in complex network.Plant stem cell research has been a great progress in recent years，new genes and mechanisms involved in stem cell regulation were found constantly.This paper summarized the research progress on plant stem cell regulation in recent years.It focuses on the signal transduction pathways and elaborates the plant stem cell regulation network in flower organ development.The gene regulation model is summarized for easy understanding of stem cells regulation.

Keywords：floral development；stem cell；signal transduction；gene regulation

基金項目：湖南省教育廳重點實驗室項目（15K060）。

作者簡介：李玉軍（1990-），男，碩士研究生，Email：15974267467＠163.com。*通信作者：張學(xué)文，教授，Email：xwzhang＠hunau.edu.cn。

收稿日期：2015- 11- 24

文章編號：1001-5280（2016）02-0200-10

DOI：10.16848／j.cnki.issn.1001-5280.2016.02.23

中圖分類號：Q945.4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A