两篇《Nature》修改植物学教科书:树木和萝卜如何长“胖”?

【字体: 时间:2019年01月10日 来源:

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  两个国际研究团队,确定了控制植物“长胖(向外生长)”的关键监管网络,这可以帮助我们高效的沉积碳,提高蔬菜作物产量。

  

当我们伸长脖子,敬畏地注视着世界上最高的树的树冠时,我们很容易忘记,让这些活摩天大楼屹立数百年甚至数千年不倒的并非向上生长,而是向外生长,树干变得越来越粗。径向生长为植物提供机械支撑,为我们提供木材和软木塞,并在将大气碳转化为植物生物量方面发挥重要作用。

径向生长也产生专门的维管组织,将水和营养物质输送到植物周围,从树干横截面可以看到被称为“年轮”的同心图案。在许多情况下,植物和树木在其一生都会向外生长。径向生长还负责生产我们吃的块茎蔬菜,如芹菜、胡萝卜、甜菜和土豆等。然而,植物如何通过径向生长使其茎和根变厚的机制几乎是未知的。

赫尔辛基大学和剑桥大学的植物科学家们分别发现了两个指导植物径向生长的独立调控网络。他们的发现今天发表在Nature的两篇独立论文中,提供了有关植物如何径向生长的最全面的解释。这也意味着世界各地的植物教科书将需要更新有关植物两种组织类型——维管束和木质部——形成、分化和生长的描述。

了解植物如何控制和指导径向生长

以拟南芥为模型,研究辐射状生长过程中,细胞的模式发展,来自赫尔辛基大学生物技术研究所和生物与环境科学学院的Ari Pekka Mähönen博士团队结束了一场将近150年的争论:是否存在负责径向生长的干细胞,以及它们在哪里。

该研究小组指出,造就形成层(形成次生维管组织的组织层)的干细胞位于幼龄木质部(young xylem)附近,此外,幼龄木质部是干细胞活动的组织者。

剑桥大学的Ykä Helariutta教授团队使用相同的模型植物,专注于维管早期发育阶段。他们表明,与晚期相比,早期阶段的幼龄韧皮部细胞(原韧皮部,protophloem)启动并组织放射状生长的初级(原形成层,procambial)阶段。他们还描述了一个潜在的基因调控网络和一组新识别的移动转录因子之间的互动整合。

总之,他们的发现揭示了一些使植物能够根据高度有组织地径向生长的调节机制,从而在茎和根的横截面上形成“年轮”。

关键——细胞的定位和复杂的反馈信号网络

Mähönen博士课题组将个体细胞谱系追踪与分子遗传学结合起来,展示出尚未分化的早期木质部细胞,作为组织者,它们引导相邻的维管细胞分裂并发挥干细胞的功能:“我们发现,这种二次发育是一个严格控制的过程,并揭示了有关组织者性质的动态过程。组织者分化为木质部导管导致在相邻的形成层干细胞中形成新的组织者,从而保证了维管形成的持续发展,我们还确定了定义干细胞组织者的分子机制。”

调节维管分生组织活动的细胞间信号特点是什么?

维管形成层的径向生长是植物发育的晚期和次级阶段,在树种植物中尤为明显。径向生长始于所有植物都存在的原形成层阶段。“非常早期的韧皮部组织(原韧皮部)有助于指导细胞行为,建立影响未来的放射状生长发育潜力模式,”Helariutta教授说。“这是通过一组移动转录因子,从原韧皮部筛管元件(PSE)转移至邻近细胞实现的。这些移动转录因子的活性受一系列具有不同化学性质的信号调节,如植物激素、其他转录因子和某些移动microRNA。”

Mähönen博士和Helariutta教授的研究小组正在继续研究其他形成层因素,如何参与信号调节网络,从而定义这些干细胞组织,确定早期径向生长如何分别影响二次径向生长。这一认识有利于农业作物和树木培育,以获得更高的经济产量,通过森林生物量(biomass)的增加,最大限度地吸收大气中的碳。

原文检索:Mobile PEAR transcription factors integrate positional cues to prime cambial growth
High levels of auxin signalling define the stem-cell organizer of the vascular cambium

(生物通:伍松)

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