美著名院士Science植物学重要成果

最近，美国杜克大学、西班牙马德里理工大学等处的科学家，确定了一组蛋白质，对于指导植物根系结构的形成，起到了非常广泛的作用。这些因子被称为BIRDs，可在植物生长时帮助根保持其组织结构，从而指导植物两个组织内层发育过程中的几个不同步骤。相关研究结果发表在2015年10月23日的《Science》杂志。

　　

生物通报道：当生长的植物根推动自己通过土壤的时候，它的细胞有很多计划要做。新的细胞必须呈现适当的身份和位置，以形成不同的组织层次，给予植物根的根系结构，保护它不受外界环境的伤害，并确保它可以将运输的物质正确地送到植物的其他部位。

现在，美国杜克大学、西班牙马德里理工大学等处的科学家，确定了一组蛋白质，对于指导这个组织的形成，起到了非常广泛的作用。这些因子被称为BIRDs，可在植物生长时帮助根保持其组织结构，从而指导植物两个组织内层发育过程中的几个不同步骤。该研究是由美国科学院院士、杜克大学系统生物学中心主任Philip Benfey带领，相关研究结果发表在2015年10月23日的《Science》杂志。延伸阅读：万用的植物RNA提取法。

许多发育生物学研究的重点是：在胚胎发育过程中身体图式是如何建立的。在动物中，身体图式设置了成年人的基本形式。但是，在植物种子内形成的胚胎，与它们将变成的生物相差甚远。Benfey说：“在植物中，很多我们认为的发育生物学发生在胚胎后。”这意味着，植物必须继续指定新细胞的身份，并在胚胎发育完成后保持组织模式。

Benfey想知道，是什么控制着这些结构形成过程。他的研究主要集中在：在不断生长的植物中，细胞如何变成专门的细胞类型，构成根的四个同心圆柱体组织。根中的每一层组织都有专门不同的功能，从最外层的表皮——作为根与其环境的接口，到最内层的维管束——输送水和营养。

表皮与维管柱之间是皮层和内皮层。内皮层产生一种防水结构，称为凯氏带，而皮质为根提供根结构支持（并有可能执行其专门的功能）。这两个层面，在一起被称为基本组织，是由聚集在根尖端的干细胞组成。

不同于发育中的动物的细胞，植物细胞不能相对移动到另一个位置——这使得发育生物学家可以提前确定，根到底是怎样形成的。一旦细胞出世，它就停留在同一位置，因此细胞基本上会排成排，作为一条发育的时间轴，Benfey解释说：最小的细胞停留在根尖端，原始细胞旁边和上面的细胞逐渐更加成熟。

这帮助科学家弄清了以下的事件序列：为了给延伸的根产生新的组织，干细胞分裂，补充根尖的干细胞微环境，同时也在上面产生一个子细胞。该子细胞沿根的纵轴分裂，从而使两个产生的细胞并排放置。这对细胞内部的那个细胞，成为根内皮层的第一个细胞，另外那个细胞形成了皮层的开端。然后，这些细胞扩增形成两层基本组织。

Benfey和他的同事们发现，他们称为SHORT-ROOT和SCARECROW的两个因子，共同启动了这个进程，从而指导干细胞分化为两个不相同的细胞。他们也已经找到了这个过程需要的其他因子——一个密切相关的分子家族，他们称之为BIRDs。有迹象表明，BIRDs可能帮助corral SHORT-ROOT——这是在血管组织中产生的，进入发育的根的正确层面，以发挥其作用，但Benfey和他的同事们想更彻底地了解它们的作用。

Benfey'实验室的博士后Miguel A. Moreno-Risueno——现在马德里植物生物技术和基因组学中心，进行了一系列实验，他检测了“当生长的根缺失某种BIRD蛋白时，会发生什么事”。他发现，仅仅缺失一个BIRD蛋白的根，发育过程中没有缺陷。但是消除这些因子的组合，会产生一些戏剧性的效果。

在没有BLUEJAY、JACKDAW和SCARECROW的植物中，基本组织正常发育成胚胎，但是当植物成熟时便停止发育。产生基本组织和内皮的干细胞丢失。Benfey说：“在植物中，我们不知道是否还有其他这样的实例：突变因子的结合可导致一种组织完全消失。这有点像失去了一个肝脏。这个组织是植物的一个起作用的关键部分，但它完全消失了。”

BIRDs是转录因子，这意味着，它们通过调控靶基因的活性来发挥作用。Benfey的团队发现，当BIRDs缺失时，细胞无法打开对基本组织身份非常重要的基因。

总而言之，该研究小组的分析表明，BIRDs以一种互补的方式起作用——而不是一种线性的途径，以控制植物根部基本组织发育的关键方面。Benfey说：“所有这些因子都是形成皮层和内皮层所需要的。它们涉及到一个三步过程：指定干细胞、使干细胞正确分裂，然后获取它们后代的身份。

Benfey和他的同事们将继续调查“将植物根中的干细胞转化为分化组织的详细步骤”，从而获得对全面了解发育生物学至关重要的新见解。

（生物通：王英）

注：Philip N. Benfey，1981年毕业于巴黎大学，1986年获美国哈佛大学细胞与生物细胞与生物学博士学位，2002年聘为杜克大学教授，2010年当选美国科学院院士。现为《Science》、《Development Cell》、《BMC Plant Biology》等杂志编委，担任杜克大学系统生物学中心主任，是世界植物科学领域发表文章引用率最高的科学家之一。

生物通推荐原文摘要：
Transcriptional control of tissue formation throughout root development
Abstract: Tissue patterns are dynamically maintained. Continuous formation of plant tissues during postembryonic growth requires asymmetric divisions and the specification of cell lineages. We show that the BIRDs and SCARECROW regulate lineage identity, positional signals, patterning, and formative divisions throughout Arabidopsis root growth. These transcription factors are postembryonic determinants of the ground tissue stem cells and their lineage. Upon further activation by the positional signal SHORT-ROOT (a mobile transcription factor), they direct asymmetric cell divisions and patterning of cell types. The BIRDs and SCARECROW with SHORT-ROOT organize tissue patterns at all formative steps during growth, ensuring developmental plasticity.