WOX转录因子在植物发育中的作用

WOX(WUSCHEL-related homeobox)转录因子与植物发育密切相关,包括植物胚胎发育和体胚发生、花和根发育、愈伤组织的形成和维持,以及干细胞维持等过程。越来越多的研究表明WOX在植物发育过程中扮演着极其重要的角色。WOX调控植物发育的机理研究在促进植物发育以及构建植物良好表型等研究提供了突破口。本文主要对WOX调控植物发育的相关研究进行综述,并结合表观遗传学调控,探讨了WOX调控植物发育的过程,以期为WOX转录因子调控植物的作用机制提供启示。     

植物干细胞调控研究新进展

植物干细胞是植物胚后发育形成各种组织和器官的细胞来源和信号调控中心,其调控机理是植物学研究的重要内容。过去20多年在模式植物拟南芥中发现了多个干细胞调控因子,但这些因子间如何相互作用,尤其是不同调控通路间如何整合是未来植物学研究需要解决的关键问题。该文简要介绍了近期以WUSCHEL-RELATED HOMEOBOX(WOX)家族蛋白为中心开展的有关植物干细胞调控因子间相互作用的一些新的研究进展,并对未来该研究领域的发展进行了展望。     

番茄WOX转录因子家族的鉴定及其进化、表达分析

WUSCHEL相关的同源异型盒(WUSCHEL-related homeobox,WOX)是一类植物特异的转录因子家族,具有调控植物干细胞分裂分化动态平衡等重要功能。本研究利用番茄(Solanum lycopersicum)基因组数据,通过建立隐马尔科夫模型并进行检索,鉴定了番茄10个WOX转录因子家族成员。多序列比对发现,番茄WOX转录因子家族成员具有高度保守的同源异型结构域;以拟南芥WOX转录因子家族成员序列为参照,通过邻接法、极大似然法、贝叶斯法重建了系统发育树,三者呈现出类似的拓扑结构,番茄和拟南芥WOX转录因子家族共25个成员被分为3个进化支(Clade)和9个亚家族(Subgroup);利用MEME和GSDS对WOX转录因子家族成员的蛋白保守结构域和基因结构进行了分析,同一亚家族内的WOX转录因子家族成员的保守结构域的种类、组织形式以及基因结构具有高度的一致性;利用Perl和Orthomcl对家族成员的染色体定位和同源性关系进行分析,结果表明串联重复的SlWOX3a和SlWOX3b可能来源于一次复制事件;利用番茄转录组数据和qRT-PCR进行表达分析,结果显示家族成员在不同组织中的表达存在差异,暗示了WOX家族的不同成员在功能上可能具有多样性。本研究对番茄WOX转录因子家族成员进行GO(Gene Ontology)注释和比较分析,结果表明该家族成员作为转录因子,可能在组织器官发育、细胞间通讯等过程中发挥作用。     

中华猕猴桃WOX转录因子的生物信息学分析

WOX基因家族是植物特有的一类转录因子,在植物发育关键时期,如胚的形成、维持干细胞稳定性和器官形成过程中发挥重要调控作用。为探究WOX转录因子调控中华猕猴桃的生长发育的分子理论基础,该文利用ProtParam、Cell-PLoc2.0、SignalP4.1 Server等在线软件对中华猕猴桃的16个WOX转录因子进行理化特性、亚细胞定位和信号肽等详细的生物信息学分析。结果表明:(1)中华猕猴WOX转录因子的所有蛋白成员的氨基酸数目在138～371之间,分子量为16.222～42.185 kD,均定位于细胞核的不稳定亲水蛋白。(2)中华猕猴桃的16个WOX蛋白成员均属于Homodomain超家族,仅Achn362451是分泌蛋白,且仅Achn362451和Achn141001具有跨膜区。(3)大部分WOX蛋白成员的潜在磷酸化位点都位于丝氨酸处。(4)其二级结构主要以无规则卷曲为主,其次为α-螺旋。(5)保守基序分析结果表明中华猕猴桃的16个WOX蛋白成员均含有motif1。(6)系统进化分析结果表明中华猕猴桃与菠萝的亲缘关系最近,与番茄的亲缘关系最远。(7)在中华猕猴桃果实成熟过程中不同时期的转录组分析结果表明其WOX基因家族中4个成员Achn131681、Achn145561、Achn336591、Achn362451基因在授粉后20、120、127 d表达含量都较高,其他12个WOX基因成员表达含量低甚至不表达。该研究为进一步研究中华猕猴桃WOX转录因子在其生长发育过程中的分子机理提供了一定的参考依据。     

生长素与植物根尖干细胞巢的维持

干细胞巢的维持与后代细胞的分化是多细胞高等生物个体发育的基础。生长素对植物茎尖和根尖分生组织的形态建成, 尤其是对位于植物这2个末端的分生组织中心的干细胞巢的活性维持起着至关重要的作用。该文综述了近几年在植物根尖干细胞发育领域的研究进展, 主要阐释了PLT蛋白途径、SCR-SHR蛋白途径以及环境因子多信号调控模块维持植物根尖分生组织中干细胞巢稳定的机制, 揭示了生长素可以通过就近合成、极性运输以及信号转导3种方式参与这些信号模块的调控, 从而维持生长素在根尖静止中心细胞附近干细胞巢的浓度梯度, 精确地平衡植物干细胞巢中细胞的增殖与分化。     

植物WUSCHEL-related homeobox (WOX) 家族研究进展

WUSCHEL相关的同源异型盒(WUSCHEL-related homeobox,WOX)转录因子家族,在植物发育的众多阶段(茎和根顶端分生区的建成、侧生器官的发育、花器官的形成和胚的发育),尤其是在细胞增殖和分化较为旺盛的区域发挥重要的调控作用,即促进细胞的增殖或抑制细胞的分化。就WOX同源异型盒转录因子家族的系统进化分析、WOX家族成员的分子特征、WOX基因的生物学功能及其作用机制进行综述,并对本领域未来的发展方向作出展望。     

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。     

植物侧枝发育的调控研究进展

植物侧枝的发育在植物形态建成中具有十分重要的地位，侧枝的形态直接影响植物的产量。侧枝的发育由生长点干细胞持续分裂和分化形成，包括侧生分生组织特化，侧生分生组织起始和侧生分生组织外生。侧枝的发育受到内部生长因子和外部环境信号的共同调节。文中总结了侧枝发育过程中侧生生长点干细胞起源、形成和休眠等过程的基本问题，综述了转录因子、激素、表观遗传、外界环境共同决定侧生分生组织形成和发育中的作用机制，为探讨植物侧枝的形成机理提供参考。     

全基因组分析杨树WOX基因家族在茎部发育中的作用

WUSCHEL-related homeobox(WOX)家族是植物特有的转录因子家族,参与分生组织细胞分裂分化、初生和次生物质代谢及植物激素信号转导等多个发育过程,目前尚未有从全基因组分析该基因家族参与杨树茎部发育的相关研究。本项研究旨在对杨树WOX基因家族进行鉴定,在杨树基因中发现18个WOX候选基因,将这些候选基因分为三组,同一分组的大多数WOX家族成员具有相似的基因结构和保守的基序。根据不同发育阶段茎部转录组数据,系统分析了WOX家族成员在茎部不同发育阶段的特异表达情况,并采用qRT-PCR对上述结果进行了验证。结果表明,杨树WOX基因家族在茎部不同发育阶段表现出不同的表达模式,为毛果杨WOX家族的功能研究与利用奠定基础。     

植物干细胞功能的分子调控研究进展

植物干细胞是植物体内具有自我更新和多向分化潜能的细胞群体,主要位于植物体茎尖分生组织、根尖分生组织和维管形成层中.它们既可以通过细胞分裂维持自身细胞群体的大小,也可以分化成为各种不同的组织器官.维持干细胞的分裂与分化之间的平衡,是植物通过纵向伸长生长和径向增粗生长不断积累生物量的基础,这一过程受基因、microRNAs(miRNAs)及植物激素等因子共同调控.本文概述了近年来植物干细胞调控植物生长发育的研究进展,并对今后的研究方向进行了展望.     

Apical meristem exhaustion during determinate primary root growth in the moots koom 1 mutant of Arabidopsis thaliana

An indeterminate developmental program allows plant organs to grow continuously by maintaining functional meristems over time. The molecular mechanisms involved in the maintenance of the root apical meristem are not completely understood. We have identified a new Arabidopsis thaliana mutant named moots koom 1 (mko1) that showed complete root apical meristem exhaustion of the primary root by 9?days post-germination. MKO1 is essential for maintenance of root cell proliferation. In the mutant, cell division is uncoupled from cell growth in the region corresponding to the root apical meristem. We established the sequence of cellular events that lead to meristem exhaustion in this mutant. Interestingly, the SCR and WOX5 promoters were active in the mko1 quiescent center at all developmental stages. However, during meristem exhaustion, the mutant root tip showed defects in starch accumulation in the columella and changes in auxin response pattern. Therefore, contrary to many described mutants, the determinate growth in mko1 seedlings does not appear to be a consequence of incorrect establishment or affected maintenance of the quiescent center but rather of cell proliferation defects both in stem cell niche and in the rest of the apical meristem. Our results support a model whereby the MKO1 gene plays an important role in the maintenance of the root apical meristem proliferative capacity and indeterminate root growth, which apparently acts independently of the SCR/SHR and WOX5 regulatory pathways.     

WUSCHEL-RELATED HOMEOBOX4 Is Involved in Meristem Maintenance and Is Negatively Regulated by the CLE Gene FCP1 in Rice

The shoot apical meristem is the ultimate source of the cells that constitute the entire aboveground portion of the plant body. In Arabidopsis thaliana, meristem maintenance is regulated by the negative feedback loop of WUSCHEL-CLAVATA (WUS-CLV). Although CLV-like genes, such as FLORAL ORGAN NUMBER1 (FON1) and FON2, have been shown to be involved in maintenance of the reproductive meristems in rice (Oryza sativa), current understanding of meristem maintenance remains insufficient. In this article, we demonstrate that the FON2-LIKE CLE PROTEIN1 (FCP1) and FCP2 genes encoding proteins with similar CLE domains are involved in negative regulation of meristem maintenance in the vegetative phase. In addition, we found that WUSCHEL-RELATED HOMEOBOX4 (WOX4) promotes the undifferentiated state of the meristem in rice and that WOX4 function is associated with cytokinin action. Consistent with similarities in the shoot apical meristem phenotypes caused by overexpression of FCP1 and downregulation of WOX4, expression of WOX4 was negatively regulated by FCP1 (FCP2). Thus, FCP1/2 and WOX4 are likely to be involved in maintenance of the vegetative meristem in rice.     

WOX gene phylogeny in Poaceae: a comparative approach addressing leaf and embryo development

The phylogeny based on the homeodomain (HD) amino acid sequence of the WOX (WUSCHEL-related homeobox gene family) was established in the 3 major radiations of the Poaceae family: Pooideae (Brachypodium distachyon), Bambusoideae (Oryza sativa), and Panicoideae (Zea mays). The genomes of all 3 grasses contain an ancient duplication in the WOX3 branch, and the cellular expression patterns in maize and rice indicate subfunctionalization of paralogues during leaf development, which may relate to the architecture of the grass leaf and the encircling of the stem. The use of maize WOX gene family members as molecular markers in maize embryo development for the first time allowed us to visualize cellular decisions in the maize proembryo, including specification of the shoot/root axis at an oblique angle to the apical-basal polarity of the zygote. All molecular marker data are compatible with the conclusion that the embryonic shoot/root axis comprises a discrete domain from early proembryo stages onward. Novel cell fates of the shoot and the root are acquired within this distinct morphogenic axis domain, which elongates and thus separates the shoot apical meristem and root apical meristem (RAM) anlagen in the maize embryo.     

Apical meristems: the plant's fountain of youth

During postembryonic development, all organs of a plant are ultimately derived from a few pluripotent stem cells found in specialized structures called apical meristems. Here we discuss our current knowledge about the regulation of plant stem cells and their environments with main emphasis on the shoot apical meristem of Arabidopsis thaliana. Recent studies suggest that stem cells are localized in specialized niches where signals from surrounding cells maintain their undifferentiated state. In the shoot meristem, initiation of stem cells during embryogenesis, regulation of stem-cell homeostasis and termination of stem-cell maintenance during flower development appear to primarily involve regulation of the stem-cell niche.     

被子植物的早期胚胎形态建成

被子植物早期胚胎形态建成是其有性生殖过程中一个重要发育阶段。在这一阶段中,被子植物形体基本特征形成,包括顶-基轴极性建立、不同细胞层分化以及分生组织形成。合子极性直接与顶基细胞命运相关,但其极性产生机理仍然不明。研究表明,WOX家族转录因子、生长素定向运输以及生长素响应应答可能参与了早期顶-基模型建成;辐射对称模型的建立可能由细胞与细胞间相互作用来介导;生长素流可能参与胚胎顶端组织形成。该文对近年来被子植物早期胚胎形态建成过程中的合子极性建立与生长、合子分裂及其顶基细胞的形成、胚根原特化及根极的形成、辐射对称模式及表皮原特化、顶端分生组织特化及子叶起始等方面的研究进展进行了综述。