植物细胞培养液中细胞分裂素（Science细胞分裂素调控植物干细胞增殖的分子机制）

责编 | 奕梵

高等植物的所有组织和器官，包括根、茎、叶、花和果实等，都是由干细胞分化而来【1】。植物干细胞是一群具有自我更新能力并能不断产生各种分化细胞的原始细胞，主要位于根尖和茎尖的分生组织以及形成层中。干细胞在植物整个生命周期中保持着自身的多能状态和分化潜能，并控制着植物的生长发育。尤为重要的是，禾本科作物（如水稻、玉米、小麦等）的产量直接受到干细胞活力的影响（图1）。如增强穗原基干细胞的活力，增加干细胞的数目，将有助于作物形成更多的穗分枝，增加花的数量并产生更多的籽粒。因此，植物干细胞不仅是植物生长发育、形态建成和逆境响应的重要基础，也是影响作物分子遗传改良的重要因素。植物干细胞如何维持活跃的增殖和自我更新能力，是一个亟待阐述的重要科学问题。

图1. 分生组织干细胞是植物所有组织和器官的来源。

2021年2月25日，英国剑桥大学塞恩思伯里（Sainsbury Laboratory）实验室Elliot Meyerowitz课题组在Science在线发表了题为Molecular mechanism of cytokinin-activated cell division in Arabidopsis的研究论文（中科院分子植物科学卓越创新中心杨卫兵研究员为该论文的第一作者）。该研究首次发现细胞分裂素通过精细调控细胞周期核心转录因子MYB3R4的“核-质穿梭”来维持茎尖干细胞的活跃分裂【2】。

科学家们对细胞分裂素的研究已经持续了一百多年。早在1913年，德国植理学家G. Haberlandt就已发现韧皮部提取物具有促进马铃薯细胞分裂的功能【3】。1941年，van Overbeek等发现椰奶可以促进曼陀罗胚胎的生长【4】。1955年，Skoog和Miller等分离并鉴定了细胞分裂素，由此奠定了植物组织培养和器官再生的基础【5】。自20世纪90年起，经过近20年的探索，我们对细胞分裂素的合成、代谢以及信号转导有了比较全面的认识。然而，作为其基本且最主要的功能，细胞分裂素如何促进植物细胞分裂的分子机制，目前了解的并不十分清楚。

为了解析细胞分裂素的作用机理，研究人员首先在拟南芥茎尖分生组织建立了细胞分裂素处理体系，证实外源细胞分裂素可以促进干细胞的分裂（图2）。通过遗传学筛选，鉴定到转录因子突变体myb3r1 myb3r4。在该突变体中，施加细胞分裂素不仅不能促进细胞增殖，反而加速了干细胞的分化，导致分生组织干细胞活性提前终止，说明MYB3R1和MYB3R4是干细胞活性维持的必需因子。

图2. MYB3R1和MYB3R4是细胞分裂素促进分生组织干细胞分裂所必需的。

由于MYB3R1和MYB3R4只在分裂细胞中表达，其蛋白含量在植物体内极低。为了深入解析MYB3R1和MYB3R4的生化功能，研究人员分离了约3000多个茎尖分生组织。通过ChIP-seq实验，并结合RNA荧光原位杂交，证明MYB3R1和MYB3R4可以直接结合到有丝分裂基因的启动子上，促进这些基因的转录。

与大部分转录因子类似，MYB3R1定位于细胞核，然而MYB3R4却主要分布于细胞质中。追踪MYB3R4在细胞分裂过程中的动态变化显示，MYB3R4在细胞分裂前合成，通过依赖于exportin的出核转运被束缚于细胞质中；当有丝分裂开始时，大量的MYB3R4蛋白经importin蛋白IMPA3和IMPA6的介导，向细胞核转移。入核以后，MYB3R4与MYB3R1形成二聚体，激活下游基因的表达（图3A）。进一步研究发现，MYB3R4能够直接激活IMPA3和IMPA6基因mRNA的转录。由此，MYB3R4和IMPA3/6之间就形成一个“正反馈环”，以实现MYB3R4蛋白在短时间内（约为10分钟）的快速核定位。

图3. 细胞分裂素促进MYB3R4快速入核，激活有丝分裂基因表达。

为了阐明MYB3R4 “核质穿梭”的分子调控机制，研究人员作了大量的处理实验，以寻找影响MYB3R4蛋白定位的因子。最终发现，高浓度的细胞分裂素可以显著促进MYB3R4的细胞核定位（图3B）。这个发现，和植物内源细胞分裂素含量在G2/M转换期出现峰值积累相一致。将MYB3R4的出核信号定点突变后，核定位的MYB3R4可以显著提高细胞分裂基因的表达水平。这些转基因植株茎尖分生组织变大，干细胞数目增多，呈现持续性细胞分裂素响应的表型。

图4. 细胞分裂素调控MYB3R4“核-质穿梭”激活干细胞分裂模型。

综上所述，在干细胞增殖过程中，MYB3R4蛋白通过出核转运在细胞质聚集，形成一个“核外转录因子库”。MYB3R4蛋白的亚细胞空间区域化，既能避免其目标基因在分裂前过早被激活，又能保证在G2/M转换期，大量的蛋白在短时间内快速入核，激活细胞分裂。有丝分裂期高浓度的内源细胞分裂素，可以发挥 “分子开关”的功能，启动“MYB3R4-IMPA3/6”正反馈环，促进MYB3R4入核（图4）。该研究首次将细胞分裂素与细胞分裂核心组分相关联，阐明了细胞分裂素的作用基础，为增强植物干细胞活性和提高作物产量提供了重要的理论参考。

作者简介

杨卫兵，博士，中国科学院分子植物科学卓越创新中心及CAS-JIC植物和微生物科学联合研究中心研究员。主要从事植物干细胞活性调控研究。以拟南芥茎尖分生组织和水稻穗原基为模型，探索干细胞维持和分化的激素和机械应力信号调控、干细胞增殖过程中的细胞壁重塑以及环境因素对干细胞活力的影响等。研究成果以第一作者身份发表在Science、Molecular Cell、Current Biology、Molecular Plant、Plant Cell、PLoS Pathogens以及Plant Physiology等国际主流学术期刊上。

参考文献：

1. Meyerowitz, E.M. (1997). Genetic control of cell division patterns in developing plants. Cell 88, 299–308.

2. Yang, W., Cortijo, S., Korsbo, N., Roszak, P., Schiessl, K., Gurzadyan, A., Wightman, R., Jönsson, H., Meyerowitz, E.M. (2021). Molecular mechanism of cytokinin-activated cell division in Arabidopsis. Science February 25th, first release.

3. Haberlandt, G. (1913). Zur physiologie der zellteilung. Sitzungsber Akad Wiss Berlin Phys Math C 1, 318–345.

4. van Overbeek. J., Conklin, M.E., and Blakeslee, A.F. (1941). Factors in coconut milk essential for growth and development of Datura embryos. Science 94, 350.

5. Miller, C.O., Skoog, F., Von Saltza, M.H., and Strong, F. (1955). Kinetin, a cell division factor from deoxyribonucleic acid. J. Am. Chem. Soc. 77, 1392

论文链接：

DOI: 10.1126/science.abe2305