背景

动植物再生现象已在多种细胞、组织和器官中被发现(如含有造血干细胞的人骨髓、动物皮肤、壁虎的尾巴、蝾螈的肢体、种子植物的根茎叶等)。与动物相比,植物展现出了惊人的组织/器官再生能力(图1)[1]。这一能力主要体现在两点:一是植物器官在受伤后的修复能力更强;二是具备动物不具备的重要能力:通过单个植物体细胞就可以重新获得整个植株。绝大多数情况下,植物一般是在外界环境压力因素影响下诱发再生过程。如通过植物组织损伤(物理、化学、生物等因素)诱导,如风吹、切割、撕咬、钻洞、腐蚀性物质以及病毒感染等产生组织损伤。同时也可以通过植物激素(如生长激素及其类似物)培养诱导产生愈伤组织(具备根的表达特性)经历从头发育过程。

图1 植物的再生现象(部分来源于https://en.wikipedia.org/wiki/)

除了不同的环境影响因素外,不同的植物、植物的不同部位,以及不同程度的伤害等造成的差异因素还可能会激发不同的植物再生进展模式。以种子植物为例,种子植物作为植物界最高等的类群具有根茎叶器官的分化,且这些根茎叶均具有再生的能力(图2)[2]。如在分生组织未被完全切除的情况下,轻微受伤产生顶端和根尖分生组织细胞重建顶端和根的完整结构;轻微受伤情况下的小切口诱发产生干性细胞进行修复;如果受伤的更严重,产生腋芽和侧根;最严重则通过一个叶片重新生成一个植物个体,即重头器官发育。另外,植物组织还可以通过外源培养诱发生成愈伤组织从而发生体细胞的胚胎发育过程[2, 3]。

图2 种子植物不同形式的再生

目前,在植物研究中用的最多的植物大多为模式生物,如拟南芥。另外,由于植物根尖的细胞组成复杂,并包含植物底端分生组织等因素,使其成为植物组织再生研究中理想的研究材料。植物根尖主要由侧根冠(lateral root cap,LRC)、表皮(epidermis)、皮层(cortex)、内皮(endodermis)、中柱鞘(pericycle)、静止中心(quiescent center ,QC)、根小柱(Columella)以及维管结构(vasculature)所构成。其中静止中心与其外部的干细胞共同构成干细胞 Niche,具有较高的分化全能性。皮层和内皮构成基本组织(ground tissue)。维管结构与中柱鞘共同构成中柱(stele)(图3)[4]。

图3 植物根尖的结构

因为植物再生过程会涉及不同种类的植物、植物的不同器官、不同的干扰因素以及最终造成的相同或不同的物理、化学以及生物学水平的变化,我们现在依然很难完整地去描述所有的植物再生过程。这篇文章将简要介绍一些与植物根再生相关的科学问题。

  1. 植物的环境应激能力是如何获得的?
  2. 植物根受到伤害后起始哪些信号途径来启动防御/再生信号?
  3. 植物根如何关闭受伤后的应激信号途径?
  4. 植物根再生过程中如何传递位置信息?
  5. 植物根再生过程与胚胎发育过程是否相似?

植物的环境应激能力是如何获得的?

从生物进化和环境适应性理论的角度看,动植物环境应激能力的获得(如抵御病害虫和细胞再生的能力)是生物体为了应对动态变化的环境,达到长期存活和繁衍为目的而逐渐获得的一种抗逆机制。在过去的数十亿年间,动植物经历了从简单到复杂,从低等到高等的迭代进化历程。如植物从单细胞藻类、菌藻植物、到蕨类植物、裸子植物,以及被子植物等不同发展阶段,期间经过不断的遗传变异和自然选择历程筛选出了更适合当时地球环境的植物类群。目前,被子植物最终成为了地球上分布最广、种类最多的植物类群(种子植物门中的一个最高等的类群)(图4)。

事实上,对于任何一种环境适应性的生物来说,建立各种压力因子的感受器及不同的信号传导途径,使其可以在受到伤害时启动细胞防御或修复再生机制都极具诱惑力。因为这将极大地提高其种群对抗更多不利环境因素的能力,并因此可以进一步提高其竞争性生存优势,如接触含羞草后其闭合叶片的行为用于避免暴雨造成的伤害,植物在受到动物侵害后通过叶释放的挥发物刺激茉莉酸(Jasmonate)途径产生抗虫蛋白[5, 6]。

另外,不同于动物(大多具有运动器官,如人有四肢,鸟有翅膀,鱼有尾巴),对于绝大部分植物而言,它们是无法移动的,因此无法通过主动移动去规避那些那些可能造成自身伤害的外部因素(如食草动物的撕咬、狂风暴雨、高温炙烤等)。获得更强的组织再生能力,以及不依赖胚胎干细胞的体细胞重头生长可能因此就成为了植物繁衍和存续种群的重要手段之一。

图4 植物图像 | 来源:https://creation.com/kingdom-of-the-plants-defying-evolution

从遗传功能学和信息传递的角度,植物产生环境应激行为首先离不开感受外界环境变化的感受器。常见的环境因子如光照条件,高温,干旱,寒冷和霜冻,暴风雨,以及植物病原体和草食动物(图5)。环境因子是诱导植物细胞或植物体作出应激反应的起始信号因子,一般需要与细胞表面的感受器和细胞内的感受基因发生直接(结合)或间接相互作用(如利用信号转导通路)来激活下游的防御性基因。此过程常常伴随着细胞基因组的表观遗传学和染色质的开放程度的调控,并会导致基因表达谱系的适应性变化。最终,以积累更多防御性蛋白、诱导细胞去分化产生干细胞、减低压力感受器信号蛋白等多种响应形式来发挥抵御作用。

图5 植物对压力的反应

植物根受到伤害后起始哪些信号通路来启动防御/再生信号?

表1 愈伤组织形成涉及到的表观修饰因子

以拟南芥叶片外植体根系受伤后从头再生涉及的表观遗传学改变为例,其主要涉及受伤后响应、叶细胞属性移除、根身份属性的获得、根干细胞的获得和增殖、根干细胞向茎干细胞的重写等关键步骤。已有的研究表明当拟南芥根受到损伤后,首先会激活应激因子 AP2/ERF 转录因子 WOUNDINDUCED DEDIFFERENTIATION 1 (WIND1), 以及同源基因 WIND2WIND3, 和*WIND4 *来起始根系从头再生信号通路。该信号通路主要通过组蛋白甲基化、组蛋白乙酰化水平以及基因组的甲基化水平的重写来调控基因表达谱系(图6)。比如 *PRC2* 是保持植物根细胞分化状态的重要因子,它可以通过积累 H3K27me3 来抑制下游靶基因的表达(*WINDs*,*SAWs*,TCPs,*WOX11*,*WOX5 *等)(表1)。*ATXR2* 可以通过积累 H3K36m3 激活 LBDs 基因的表达,从而促进根干细胞的获得及其增殖。而 *MET1 *和 *CMT3* 可以通过 DNA 甲基化来抑制 WUS 基因并控制根干细胞向茎干细胞的重写过程[3]。*GCN5 *和 *SDG2 *则可以分别通过 H3ac 和 H3K4me3 促进 *PLTs *表达来获得根干细胞。

图6 拟南芥叶片外植体根系再生涉及的表观遗传学改变

图7 生长素激活拟南芥叶片外植体根系再生的示意图

值得注意的是,植物激素在相关基因表达调控步骤中也发挥了至关重要的作用[2, 6, 7]。如生长素首先会在叶片切口处积累,并通过激活下游基因表达如 *WOX11 *和 *WOX12 *来诱发切口处细胞命运从叶片原核/薄壁组织细胞转变为根基础细胞。之后,*WOX11 *和 *WOX12 *再诱导*LBD16*,*LBD29 *的表达,最后再通过上调 *WOX5 *基因来形成根分生组织(图7,红色箭头)[2]。茉莉酸在之前的研究中已经被证明与抵抗坏死性病原体和昆虫食草动物的防御反应相关。而植物叶片的体外培养试验证明,茉莉酸途径是受伤压力刺激诱发的植物根重头再生过程中最早被激活的信号通路之一,它可以促进生长素合成途径中的色氨酸生物合成基因 *ANTHRANILATE SYNTHASE α1 *(*ASA1*)的表达。茉莉酸在外植体的根受伤后数分钟中内被激活产生积累,并在数小时后被清除(图8)。它可以激活下游靶基因 *ETHYLENE RESPONSE FACTOR109(ERF109*)的表达,而 *ERF109 *进一步可以通过 *SET DOMAIN GROUP8*(*SDG8*)调节的 H3K36me3 激活 *ASA1 *表达[7]。

图8 植物受伤后茉莉酸、生长素途径相关基因表达增加

此外,拟南芥根尖的生物活体刺激受伤试验又证明了茉莉酸途径在植物体内也参与了根的再生过程[8]。茉莉酸和生长素形成的应激调控网络主要是通过上游分子如 *CYCD6;1*、*Col1*、*MYC2 *等,影响 RBR-SCR 和 *ERF115 *分子来激活植物根静止中心细胞、干细胞 Niche、以及组织再生过程(图9)。

图9 茉莉酸和生长素介导的分子网络示意图

植物根如何关闭受伤后的应激信号途径?

植物根受伤后修复和应激信号途径一般只在一定时间内发挥作用,并通过负向调控因子使其在合适的时间被关闭。以受伤激活的茉莉酸应激途径为例,茉莉酸信号反应主要在植物受伤后的 2 小时内发挥作用 [7]。而 JAZ 蛋白(JAZ5, 8 和 9)则可以通过直接结合 *ERF109 *降低其激活 *ASA1 *转录的能力来逐渐减弱后续的应激反应(图10)[7]。

图10 茉莉酸途径的负向调控因子 :JAZ蛋白

植物根再生过程中如何传递位置信息?

在植物根再生过程中,非常重要的一个问题就是植物根尖细胞是如何控制不同位置细胞的细胞命运,是否需要、以及何时发生去分化过程获得干细胞属性、细胞需要往哪个方向生长、细胞生长速率、干细胞何时进行细胞分化等等。植物受到伤害后,首先会选择已有的具备干细胞能力去进行修复。如果没有干细胞,则会优先选择诱导靠近受伤部位的细胞变成干细胞参与修复。此外,植物根尖不同位置的细胞具有不同的去分化和再生能力,且越靠里,其再生能力越强,对最终再生细胞贡献越大(图11)[4, 6]。在根尖切口处的内部细胞则会先丢失其原有的细胞类型属性,然后再逐步增殖、分化、并在对应位置恢复原有细胞属性(图12),其中植物生长激素和细胞分裂素的动态平衡和梯度建立在其中起到了至关重要的作用 (图13)[6]。

图11 植物根尖的动态生长

图12 根尖近端细胞身份的丢失和恢复

植物根再生过程与胚胎发育过程是否相似?

植物根再生过程与其胚胎发育过程有着较高的相似性。植物的根再生与其胚胎发育具有类似的生长激素和细胞分裂素分布变化过程:混合、分离、分离边缘发生干细胞激活(图13)。生长素和细胞分裂素重叠之后将起始植物根再生的信号转导途径。两激素分离之后区分出近端和远端结构,近端结构富集细胞分裂素,远端结构富集细胞生长素。最后在两种激素的交界处激发干细胞的分裂和发育。另外,基因表达分析结果显示一些在根胚胎发育过程中表达的关键基因(如 *ARF9*,*IAA10*)在再生过程中形成的混合细胞类型中被过表达,并在形成静止中心和根小柱细胞中形成细胞身份特异的差异性表达,而在其他植物组织中激活胚胎发育的一些基因(如 *WOX2*,*LEC2*)在混合细胞中则很少表达[6]。

图13 植物根再生模型

其他一些问题

  1. 是否还有其他上下游因子参与到茉莉酸应激信号的调控?
  2. 动植物压力应激途径间的比较(如茉莉酸途径与前列腺素信号传导)?
  3. 植物根再生(组织培养)的传代次数是否有限制?如果有,如何打破传代次数的限制?
  4. 如果在体内和体外分别混合不同类型的根再生细胞(如愈伤组织、切割诱导去分化的根尖细胞等)和发育中的胚胎干细胞会发生什么?
  5. 不同植物的根再生细胞混合是否会对根再生过程产生影响?
  6. 是否可能通过外源因子控制根再生过程停滞在某个发育阶段?
  7. 在动物系统里是否也有通过不同位置差异的物质信息(如激素)控制细胞不同命运的机制?
  8. 动物胚胎发育过程中,不同位置的胚胎干细胞细胞是如何确定后续发育程序的?
  9. 控制产生胚胎发育过程中关键变化事件(如原肠作用)的机制?
  10. 动植物中不同细胞间的协同和交流机制有哪些?
  11. 为什么大部分动物细胞没有进化出叶绿体?
  12. 植物有没可能在未来进化出神经器官?

Jianfeng | 2020/01/07

参考文献

[1] 刘武. 植物再生——自然界的神秘力量. 生命世界 2019; 0(7)

[2] Ikeuchi M, Ogawa Y, Iwase A and Sugimoto K. Plant regeneration: cellular origins and molecular mechanisms. Development 2016; 143(9): 1442-51

[3] Lee K and Seo PJ. Dynamic Epigenetic Changes during Plant Regeneration. Trends Plant Sci 2018; 23(3): 235-247

[4] Marhava P, Hoermayer L, Yoshida S, Marhavy P, Benkova E and Friml J. Re-activation of Stem Cell Pathways for Pattern Restoration in Plant Wound Healing. Cell 2019; 177(4): 957-969 e13

[5] Hilker M and Schmulling T. Stress priming, memory, and signalling in plants. Plant Cell Environ 2019; 42(3): 753-761

[6] Efroni I, Mello A, Nawy T, Ip PL, Rahni R, DelRose N, Powers A, Satija R and Birnbaum KD. Root Regeneration Triggers an Embryo-like Sequence Guided by Hormonal Interactions. Cell 2016; 165(7): 1721-1733

[7] Zhang G, Zhao F, Chen L, Pan Y, Sun L, Bao N, Zhang T, Cui CX, Qiu Z, Zhang Y, Yang L and Xu L. Jasmonate-mediated wound signalling promotes plant regeneration. Nat Plants 2019; 5(5): 491-497

[8] Zhou W, Lozano-Torres JL, Blilou I, Zhang X, Zhai Q, Smant G, Li C and Scheres B. A Jasmonate Signaling Network Activates Root Stem Cells and Promotes Regeneration. Cell 2019; 177(4): 942-956 e14