An apical hypoxic niche sets the pace of shoot meristem activity

頂端缺氧微環(huán)境設(shè)定莖尖分生組織活動(dòng)節(jié)奏

來(lái)源：Nature, volume 569, 2019, pages 714-717

《自然》，第569卷，2019年，頁(yè)碼714-717

 

摘要

這篇論文研究發(fā)現(xiàn)植物莖尖分生組織（SAM）發(fā)育在一個(gè)低氧微環(huán)境中，這種缺氧條件對(duì)于調(diào)控新葉生產(chǎn)是必需的。研究使用遺傳報(bào)告系統(tǒng)和體內(nèi)氧測(cè)量相結(jié)合的方法，發(fā)現(xiàn)SAM中存在一個(gè)缺氧微環(huán)境，其缺氧程度與干細(xì)胞巢重疊。研究鑒定出LITTLE ZIPPER 2（ZPR2）蛋白作為N-degron通路的底物，在缺氧條件下穩(wěn)定存在，通過(guò)抑制HD-ZIP III轉(zhuǎn)錄因子活性來(lái)調(diào)節(jié)SAM活動(dòng)。結(jié)果表明氧作為一種可擴(kuò)散信號(hào)，在需氧條件下參與植物干細(xì)胞活性控制，空間分布的氧差異影響植物發(fā)育。

 

研究目的

研究目的是探究植物莖尖分生組織中的氧環(huán)境及其對(duì)發(fā)育的調(diào)控機(jī)制，特別是驗(yàn)證SAM中是否存在生理性缺氧微環(huán)境，以及這種低氧條件如何通過(guò)分子機(jī)制調(diào)節(jié)分生組織活性和葉器官發(fā)生。

 

研究思路

研究思路是使用微型Clark型氧電極測(cè)量SAM中的氧濃度分布，結(jié)合缺氧誘導(dǎo)基因表達(dá)分析和pH響應(yīng)報(bào)告系統(tǒng)驗(yàn)證SAM的缺氧狀態(tài)。通過(guò)分子生物學(xué)和遺傳學(xué)方法鑒定ZPR2作為氧敏感靶標(biāo)，研究其在N-degron通路下的穩(wěn)定性調(diào)控機(jī)制。利用突變體、報(bào)告基因和生化分析探究ZPR2與HD-ZIP III轉(zhuǎn)錄因子的互作關(guān)系，最后通過(guò)體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證缺氧-ZPR2-HD-ZIP III模塊對(duì)SAM活性的調(diào)控作用。

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義

1 SAM氧濃度數(shù)據(jù)來(lái)自圖1a，使用丹麥Unisense微型氧電極測(cè)量。研究意義是直接證實(shí)SAM中存在顯著的氧濃度梯度，中心區(qū)域氧分壓低至約4 mmHg，揭示植物干細(xì)胞巢與動(dòng)物類似，也存在于低氧微環(huán)境中，為缺氧調(diào)控發(fā)育提供直接證據(jù)。

 

2 缺氧響應(yīng)基因表達(dá)數(shù)據(jù)，顯示55%的核心缺氧誘導(dǎo)基因在SAM中顯著高表達(dá)。研究意義是表明SAM細(xì)胞處于功能缺氧狀態(tài)，具有活躍的缺氧信號(hào)通路，支持缺氧微環(huán)境的生理相關(guān)性。

3 pH響應(yīng)報(bào)告基因活性數(shù)據(jù)，顯示pHRPE報(bào)告子在SAM中組成型激活。研究意義是驗(yàn)證SAM中存在基礎(chǔ)缺氧反應(yīng)，且該反應(yīng)能被高氧抑制，證明SAM細(xì)胞具有感知和響應(yīng)氧濃度變化的能力。

4 ZPR2蛋白穩(wěn)定性數(shù)據(jù)來(lái)自圖2c、2d，顯示ZPR2在缺氧下穩(wěn)定，依賴PRT6介導(dǎo)的降解。研究意義是鑒定ZPR2作為N-degron通路新底物，建立氧濃度與蛋白穩(wěn)定性之間的直接分子聯(lián)系，揭示氧信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制。

 

5 葉起始速率數(shù)據(jù)來(lái)自圖1d和圖3d，顯示高氧處理和zpr2突變體葉起始速率降低。研究意義是證明缺氧微環(huán)境和ZPR2對(duì)維持正常SAM活性是必需的，將氧可用性與器官發(fā)生速率直接關(guān)聯(lián)。

 

6 ZPR2與HD-ZIP III互作數(shù)據(jù)來(lái)自圖4a、4b，顯示ZPR2抑制REV、PHB和ATHB8的轉(zhuǎn)錄活性。研究意義是闡明ZPR2通過(guò)抑制HD-ZIP III轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控下游基因表達(dá)，將氧信號(hào)與已知的發(fā)育調(diào)控通路整合。

 

 

結(jié)論

論文得出結(jié)論，植物莖尖分生組織發(fā)育在一個(gè)生理性缺氧微環(huán)境中，這種低氧條件通過(guò)N-degron通路穩(wěn)定ZPR2蛋白，從而抑制HD-ZIP III轉(zhuǎn)錄因子活性，維持SAM活性和正常葉起始速率。氧作為一種可擴(kuò)散信號(hào)分子，在需氧條件下參與植物干細(xì)胞活性調(diào)控，表明氧梯度空間分布是影響植物發(fā)育的重要因素。

 

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義

使用丹麥Unisense微型Clark型氧電極測(cè)量的數(shù)據(jù)是SAM中的氧濃度分布（圖1a），研究意義在于首次以高空間分辨率（微米級(jí)）直接證實(shí)植物莖尖分生組織中存在顯著的氧梯度，中心區(qū)域氧分壓低至約4 mmHg，這與動(dòng)物干細(xì)胞巢的缺氧特征相似。這種精確測(cè)量揭示了植物干細(xì)胞微環(huán)境的物理化學(xué)特性，為理解缺氧對(duì)干細(xì)胞維持的進(jìn)化保守性提供了關(guān)鍵證據(jù)。電極的高分辨率測(cè)量能夠區(qū)分SAM不同區(qū)域的氧差異，證明缺氧區(qū)域與干細(xì)胞巢重疊，將氧可用性與干細(xì)胞功能直接關(guān)聯(lián)。這種實(shí)時(shí)原位測(cè)量為研究植物發(fā)育中的氧信號(hào)提供了可靠方法，證實(shí)氧不僅作為代謝底物，更是重要的發(fā)育信號(hào)分子。