責編 | 奕梵
高等植物的所有組織和器官，包括根、莖、葉、花和果實等，都是由幹細胞分化而來【1】。植物幹細胞是一群具有自我更新能力並能不斷產生各種分化細胞的原始細胞，主要位於根尖和莖尖的分生組織以及形成層中。幹細胞在植物整個生命週期中保持著自身的多能狀態和分化潛能，並控制著植物的生長髮育。尤為重要的是，禾本科作物（如水稻、玉米、小麥等）的產量直接受到幹細胞活力的影響（圖1）。如增強穗原基幹細胞的活力，增加幹細胞的數目，將有助於作物形成更多的穗分枝，增加花的數量併產生更多的籽粒。因此，植物幹細胞不僅是植物生長髮育、形態建成和逆境響應的重要基礎，也是影響作物分子遺傳改良的重要因素。植物幹細胞如何維持活躍的增殖和自我更新能力，是一個亟待闡述的重要科學問題。
2021年2月25日，英國劍橋大學塞恩思伯裡（Sainsbury Laboratory）實驗室Elliot Meyerowitz課題組在Science線上發表了題為Molecular mechanism of cytokinin-activated cell division in Arabidopsis的研究論文（中科院分子植物科學卓越創新中心楊衛兵研究員為該論文的第一作者）。該研究首次發現細胞分裂素透過精細調控細胞週期核心轉錄因子MYB3R4的“核-質穿梭”來維持莖尖幹細胞的活躍分裂【2】。
科學家們對細胞分裂素的研究已經持續了一百多年。早在1913年，德國植理學家G. Haberlandt就已發現韌皮部提取物具有促進馬鈴薯細胞分裂的功能【3】。1941年，van Overbeek等發現椰奶可以促進曼陀羅胚胎的生長【4】。1955年，Skoog和Miller等分離並鑑定了細胞分裂素，由此奠定了植物組織培養和器官再生的基礎【5】。自20世紀90年起，經過近20年的探索，我們對細胞分裂素的合成、代謝以及訊號轉導有了比較全面的認識。然而，作為其基本且最主要的功能，細胞分裂素如何促進植物細胞分裂的分子機制，目前瞭解的並不十分清楚。
為了解析細胞分裂素的作用機理，研究人員首先在擬南芥莖尖分生組織建立了細胞分裂素處理體系，證實外源細胞分裂素可以促進幹細胞的分裂（圖2）。透過遺傳學篩選，鑑定到轉錄因子突變體myb3r1 myb3r4。在該突變體中，施加細胞分裂素不僅不能促進細胞增殖，反而加速了幹細胞的分化，導致分生組織幹細胞活性提前終止，說明MYB3R1和MYB3R4是幹細胞活性維持的必需因子。
圖2. MYB3R1和MYB3R4是細胞分裂素促進分生組織幹細胞分裂所必需的。
由於MYB3R1和MYB3R4只在分裂細胞中表達，其蛋白含量在植物體內極低。為了深入解析MYB3R1和MYB3R4的生化功能，研究人員分離了約3000多個莖尖分生組織。透過ChIP-seq實驗，並結合RNA熒光原位雜交，證明MYB3R1和MYB3R4可以直接結合到有絲分裂基因的啟動子上，促進這些基因的轉錄。
與大部分轉錄因子類似，MYB3R1定位於細胞核，然而MYB3R4卻主要分佈於細胞質中。追蹤MYB3R4在細胞分裂過程中的動態變化顯示，MYB3R4在細胞分裂前合成，透過依賴於exportin的出核轉運被束縛於細胞質中；當有絲分裂開始時，大量的MYB3R4蛋白經importin蛋白IMPA3和IMPA6的介導，向細胞核轉移。入核以後，MYB3R4與MYB3R1形成二聚體，啟用下游基因的表達（圖3A）。進一步研究發現，MYB3R4能夠直接啟用IMPA3和IMPA6基因mRNA的轉錄。由此，MYB3R4和IMPA3/6之間就形成一個“正反饋環”，以實現MYB3R4蛋白在短時間內（約為10分鐘）的快速核定位。
圖3. 細胞分裂素促進MYB3R4快速入核，啟用有絲分裂基因表達。
為了闡明MYB3R4 “核質穿梭”的分子調控機制，研究人員作了大量的處理實驗，以尋找影響MYB3R4蛋白定位的因子。最終發現，高濃度的細胞分裂素可以顯著促進MYB3R4的細胞核定位（圖3B）。這個發現，和植物內源細胞分裂素含量在G2/M轉換期出現峰值積累相一致。將MYB3R4的出核訊號定點突變後，核定位的MYB3R4可以顯著提高細胞分裂基因的表達水平。這些轉基因植株莖尖分生組織變大，幹細胞數目增多，呈現持續性細胞分裂素響應的表型。
圖4. 細胞分裂素調控MYB3R4“核-質穿梭”激活幹細胞分裂模型。
綜上所述，在幹細胞增殖過程中，MYB3R4蛋白通過出核轉運在細胞質聚集，形成一個“核外轉錄因子庫”。MYB3R4蛋白的亞細胞空間區域化，既能避免其目標基因在分裂前過早被啟用，又能保證在G2/M轉換期，大量的蛋白在短時間內快速入核，啟用細胞分裂。有絲分裂期高濃度的內源細胞分裂素，可以發揮 “分子開關”的功能，啟動“MYB3R4-IMPA3/6”正反饋環，促進MYB3R4入核（圖4）。該研究首次將細胞分裂素與細胞分裂核心組分相關聯，闡明瞭細胞分裂素的作用基礎，為增強植物幹細胞活性和提高作物產量提供了重要的理論參考。
作者簡介
楊衛兵，博士，中國科學院分子植物科學卓越創新中心及CAS-JIC植物和微生物科學聯合研究中心研究員。主要從事植物幹細胞活性調控研究。以擬南芥莖尖分生組織和水稻穗原基為模型，探索幹細胞維持和分化的激素和機械應力訊號調控、幹細胞增殖過程中的細胞壁重塑以及環境因素對幹細胞活力的影響等。研究成果以第一作者身份發表在Science、Molecular Cell、Current Biology、Molecular Plant、Plant Cell、PLoS Pathogens以及Plant Physiology等國際主流學術期刊上。
參考文獻：
1. Meyerowitz, E.M. (1997). Genetic control of cell division patterns in developing plants. Cell 88, 299–308.
2. Yang, W., Cortijo, S., Korsbo, N., Roszak, P., Schiessl, K., Gurzadyan, A., Wightman, R., Jönsson, H., Meyerowitz, E.M. (2021). Molecular mechanism of cytokinin-activated cell division in Arabidopsis. Science February 25th, first release.
3. Haberlandt, G. (1913). Zur physiologie der zellteilung. Sitzungsber Akad Wiss Berlin Phys Math C 1, 318–345.
4. van Overbeek. J., Conklin, M.E., and Blakeslee, A.F. (1941). Factors in coconut milk essential for growth and development of Datura embryos. Science 94, 350.
5. Miller, C.O., Skoog, F., Von Saltza, M.H., and Strong, F. (1955). Kinetin, a cell division factor from deoxyribonucleic acid. J. Am. Chem. Soc. 77, 1392
論文連結：
DOI: 10.1126/science.abe2305