根毛的生长发育及其遗传基础

根毛是根系特异化表皮细胞外伸形成的管状凸起物,是植物吸收矿质养分和水分的重要器官。根毛的发育可分为根毛细胞命运决定、根毛起始、根毛顶端生长和根毛成熟等阶段。本文对根毛发育生长过程中的细胞形态及其生理生化变化进行了综述,并从根表皮细胞命运决定分子机理, EXPANSIN、bHLH和MYB等转录因子以及小G蛋白和生长素/乙烯等方面简要说明了根毛生长发育的遗传基础。     

植物表皮毛发育的分子遗传控制

植物表皮毛是一种特化的单细胞表皮结构。近年来,通过对拟南芥表皮毛的分子遗传研究已发现了多个直接控制表皮毛发育的基因,它们都编码转录因子,包括M^1YB类转录因子(GLABROUS1、WEREWOLF、TRIPTY-CHON、CAPRICE),含WD40重复序列的转录因子(TRANSPARENT TESTA GLABRA1),bHLH类转录因子(GLABROUS3)。含HD—ZIP的转录因子(GLABROUS2),WRKY类转录因子(TRANSPARENT TESTA GLABRA2)。进一步的实验证明GL1／WER—GL3—TTG1通过形成一个转录调控复合体来控制表皮毛和根毛的发育。在根毛和表皮毛的发育过程中,临近的细胞竞争表达这些转录因子决定原初细胞的命运(包括GL1／WER,GL3,TTG1,GL2),同时,还表达一些转录因子阻止临近细胞接受这个命运(包括TRY和CPC)。此外,这一复合体还是其他器官(如种皮、下胚轴气孔等)发育所共用的一种调控机制。     

植物根毛的发生、发育及养分吸收

根毛是植物吸收养分的重要器官,认识根毛的发生、发育规律及其与养分吸收的关系,可为植物养分吸收效率的遗传改良提供依据。介绍了植物根毛的形态特性、发生和发育过程及其调控机制,并结合本实验室的工作,讨论了根毛对养分吸收的贡献、根毛受养分有效性的调节及其与其他根系形态构型性状间的关系,阐述了根毛中养分转运等植物营养过程及其生理和分子生物学基础。最后提出了关于根毛研究中的一些问题和研究前景。     

植物根毛的发生、发育及养分吸收

根毛是植物吸收养分的重要器官,认识根毛的发生、发育规律及其与养分吸收的关系,可为植物养分吸收效率的遗传改良提供依据.介绍了植物根毛的形态特性、发生和发育过程及其调控机制,并结合本实验室的工作,讨论了根毛对养分吸收的贡献、根毛受养分有效性的调节及其与其他根系形态构型性状间的关系,阐述了根毛中养分转运等植物营养过程及其生理和分子生物学基础.最后提出了关于根毛研究中的一些问题和研究前景.     

根毛分化过程中的细胞生理学变化

根表皮的显著特征是发育出根毛,根毛集中分布在根端以上的根毛区(Farr,1928)。根毛对植物从土壤吸收水份和矿质营养起重要作用。关于根毛发育的形态学研究已有较详尽的报道(Leavitt.1904;Cormack,1949)。在多数根表皮中,由于原表皮细胞的不均等分裂产生短型生毛细胞和长型不形成毛的细胞。     

油菜素内酯对水稻根系发育的调控作用

在油菜素甾醇(brassinosteroids,BRs)化合物中,油菜素内酯(brassinolide,BL)具有活性最高、广谱和无毒等显著特点,而且具有改良植物株型、提高抗逆性等功效。根系是植物吸收水分和矿质元素的主要器官,因此阐明油菜素内酯调控根系发育的遗传、生理和生化机制,有利于更有效地利用BRs激素,实现株型的定向设计。该研究利用叶面喷施的方法分析油菜素内酯对根系侧根、根毛发育的影响;利用植物显微技术分析油菜素内酯对根系侧根结构及发育的作用;利用高压液相色谱法检测油菜素内酯对根系内其他植物激素含量的影响;利用蛋白质组学技术鉴定受油菜素内酯调控的蛋白质,分析油菜素内酯调控根系发育的生化机制。研究表明,一定浓度的油菜素内酯促进种子根、侧根、根毛的发生;提高根系细胞分裂素和赤霉素含量;可能通过调控逆境相关蛋白质来提高植物的抗逆性。     

植物中的H2O2信号及其功能

H2O2是植物细胞的信号分子,是细胞正常代谢的产物,生物和非生物胁迫促使植物细胞产生H2O2,通过H2O2信号应答胁迫.H2O2信号调控一系列重要的植物生理生化过程,如系统获得抗性(SAR)和高度敏感抗性(HR)、细胞衰老与程序化细胞死亡(PCD)、气孔关闭、根的向地性、根的生长和不定根形成、细胞壁的发育、柱头与花粉的发育及相互关系等.Ca2+流动和可逆蛋白磷酸化作用是H2O2下游信号,通过MAPK级联作用于转录因子,最终调控基因的表达.H2O2调控多种基因的表达,包括编码抗氧化酶基因、调控程序化细胞死亡相关蛋白基因、生物与非生物胁迫应答蛋白基因等.     

C类花器官特征基因AGAMOUS(AG)调控植物花分生组织维持与终止研究进展

花分生组织的维持与终止在植物花器官发生和世代交替起着至关重要的作用。成功的花分生组织决定能够确保植物正常的生殖发育和生命周期进程。诸多研究表明AGAMOUS(AG)基因作为花器官分化和开花决定的主效调节因子,能够协调花发育过程中多种细胞命运决定。然而,关于AG参与调控植物世代交替及花分生组织维持与终止的分子调控机制尚不清晰。综述了近年来AG基因参与调控植物花分生组织维持与终止的研究进展及现状,以期为深入研究植物花器官分化过程中干细胞的维持和终止,以及干细胞活动与其他发育过程之间的分子调控过程提供参考。     

拟南芥根毛衰老死亡过程的PCD检测

根毛是植物体吸收养分的重要器官,自然条件下根毛的寿命很短,仅能存活2–3周,随即脱落死亡。以模式植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)根毛为材料,对根毛死亡的细胞学特征进行了报道。结果发现,根毛衰老死亡后细胞内的原生质体发生了收缩,并在胞质中观察到凝集物的出现;通过原位末端标记(TUNEL)检测,发现幼根上的根毛细胞核DNA发生了片段化。上述结果表明,拟南芥根毛的衰老死亡很可能是植物体自主调控的程序性细胞死亡(PCD)。另外,当根毛衰老死亡后,细胞核大多会迁移到靠近根毛基部的位置,且正常的长管状根毛发生旋转扭曲。     

MADS-box 基因家族基因重复及其功能的多样性

基因的重复(duplication)及其功能的多样性(diversification)为生物体新的形态进化提供了原材料。MADS-box基因在植物(特别是被子植物)的进化过程中发生了大规模的基因重复事件而形成一个多基因家族。MADS-box基因家族的不同成员在植物生长发育过程中起着非常重要的作用, 在调控开花时间、决定花分生组织和花器官特征以及调控根、叶、胚珠及果实的发育中起着广泛的作用。探讨MADS-box基因家族的进化历史有助于深入了解基因重复及随后其功能分化的过程和机制。本文综述了MADS-box基因家族基因重复及其功能分化式样的研究进展。     

GL3 encodes a bHLH protein that regulates trichome development in arabidopsis through interaction with GL1 and TTG1

Arabidopsis trichome development and differentiation is a well-studied model for plant cell-fate determination and morphogenesis. Mutations in TRANSPARENT TESTA GLABRA1 (TTG1) result in several pleiotropic defects including an almost complete lack of trichomes. The complex phenotype caused by ttg1 mutations is suppressed by ectopic expression of the maize anthocyanin regulator R. Here it is demonstrated that the Arabidopsis trichome development locus GLABRA3 (GL3) encodes an R homolog. GL3 and GLABRA1 (GL1) interact when overexpressed together in plants. Yeast two-hybrid assays indicate that GL3 participates in physical interactions with GL1, TTG1, and itself, but that GL1 and TTG1 do not interact. These data suggest a reiterated combinatorial model for the differential regulation of such diverse developmental pathways as trichome cell-fate determination, root hair spacing, and anthocyanin secondary metabolism.     

GEM,a Novel Factor in the Coordination of Cell Division to Cell Fate Decisions in the Arabidopsis Epidermis

Cell division and cell fate decisions are highly regulated processes that need to be coordinated both spatially and temporally for correct plant growth and development. Gaining a deeper molecular and cellular understanding of these links is especially relevant for plant biology since, unlike in animals, formation of new organs is a process that takes place after embryogenesis and continues throughout the entire plant lifespan. The recent identification of a novel factor, GEM, has provided a molecular framework that coordinates cell division to cell fate in the Arabidopsis epidermis. GEM is an inhibitor of cell division through interacting with CDT1, a DNA replication protein. It also inhibits the expression of the homeobox GLABRA2 (GL2) gene that determines the hair/non-hair fate and the pavement/trichome fate in the root and leaf epidermis, respectively. GEM seems to be crucial in controlling the balance of activating/repressing histone modifications at its target promoters.Key Words: cell division, cell cycle, cell fate, GEM, GLABRA2, CDT1, DNA replication, chromatin, histone methylation, gene expression, root hair, Arabidopsis, plant