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研究揭示了植物再生的秘密
相互抑制的WOX13和WUS在多能愈伤组织细胞的细胞命运规定中发挥关键作用。调节机制的示意图(左)和WOX13和WUS在愈伤组织细胞群体中的空间表达模式(右)。
植物具有从体细胞完全再生的独特能力，即从通常不参与繁殖的普通细胞中生成新的芽顶分生组织(SAM)，从而形成侧生器官，这对于植物的重建至关重要。
在细胞层面上，SAM的形成受到正向或负向调节因子(基因/蛋白质分子)的严密调控，分别可能诱导或限制芽再生。但是，涉及哪些分子？是否还有其他尚未揭示的调节层面？
为了寻找上述问题的答案，由日本奈良先端科学技术大学院大学(NAIST)领导的研究小组在常用于遗传研究的植物拟南芥中研究了这一过程。他们的研究成果发表在《Science Advances》上，鉴定和表征了一个关键的芽再生负调节因子。
他们证明了WOX13基因及其蛋白质如何通过作为转录(RNA水平)抑制剂来促进愈伤组织细胞的非分生(非分裂)功能，从而影响再生效率。
该研究的主要研究员Ikeuchi Momoko解释道：“寻找提高植物芽再生效率的策略已经进行了很长时间。但是由于相关的调节机制尚不清楚，进展一直受到了阻碍。我们的研究填补了这一空白，定义了一个新的细胞命运规定通路。”
该团队以前的研究已经确定了WOX13在移植后组织修复和器官粘附中的作用。因此，他们首先在wox13拟南芥突变体(具有WOX13功能失调的植物)中使用两步细胞培养系统，测试了该基因在控制芽再生中的潜在作用。
表型和成像分析表明，缺乏WOX13的植物中芽再生加速(提前3天)，而诱导WOX13表达时则变慢。此外，在正常植物中，WOX13在SAM中显示局部降低的表达水平。这些发现表明WOX13可以负调节芽再生。
为了验证他们的发现，研究人员使用RNA测序在多个时间点比较了wox13突变体和野生型(正常)植物。WOX13的缺失并没有在愈伤诱导条件下显著改变拟南芥基因表达。然而，在芽诱导条件下，wox13突变引起的改变显著增强，导致芽分生组织调节因子基因的上调。
有趣的是，这些基因在突变植物中WOX13过度表达后的24小时内被抑制。总体而言，他们发现WOX13抑制了一部分芽分生组织调节因子，同时直接激活参与细胞扩张和细胞分化的细胞壁调节基因。随后的基于Quartz-Seq2的单细胞RNA测序(scRNA-seq)证实了WOX13在规定多能愈伤组织细胞命运中的关键作用。
该研究强调，与其他已知的芽再生负调节因子不同，它们仅防止从愈伤转向SAM，WOX13通过促进获得替代命运来抑制SAM规定。它通过与调节因子WUS建立相互抑制的调节回路来实现这种抑制，通过转录抑制WUS和其他SAM调节因子并诱导细胞壁调节剂来促进非分生细胞命运。
因此，WOX13是再生效率的主要调节因子。Ikeuchi总结道：“我们的发现表明，敲除WOX13可以促进芽命运的获得并增强芽再生效率。这意味着WOX13敲除可以成为农业和园艺中的一种工具，并提高组织培养介导的作物芽再生。”