科学家揭开植物再生的秘密

研究人员发现了茎再生的一个关键负调控因子WOX13，它通过转录抑制因子促进非分生细胞的命运，从而影响再生效率。这一发现为细胞命运规范途径提供了新的见解，并表明敲除WOX13可以提高茎再生效率，这可能是农业和园艺中有价值的工具。

　　

日本的研究人员已经发现WOX13基因负向控制植株细胞再生的命运，影响植株茎部再生的效率。

植物拥有从体细胞完全再生的独特能力，也就是说，一个普通的细胞通常不参与繁殖。这个过程包括从头(或新的)形成一个茎尖分生组织(SAM)，产生侧面器官，这是植物重建的关键。

在细胞尺度上，SAM的形成受到阳性或阴性调节因子(基因/蛋白质分子)的严格控制，这些调节因子分别诱导或限制茎再生。但是有哪些分子参与其中呢?是否还有其他监管层面尚未被发现?为了寻找上述问题的答案，日本奈良科学技术研究所(NAIST)领导的一个研究小组研究了拟南芥(一种常用于基因研究的植物)的这一过程。

他们的研究发表在《Science Advances》杂志上，发现并描述了芽再生的一个关键负调节因子。他们展示了USCHEL相关的HOMEOBOX 13 (WOX13)基因及其蛋白如何通过作为转录(RNA水平)抑制因子促进愈伤组织细胞的非分生组织(非分裂)功能，从而影响再生效率。

“寻找提高植物茎部再生效率的策略已经进行了很长时间。然而，由于相关的监管机制尚不明确，进展一直受到阻碍。我们的研究通过定义一种新的细胞命运规范途径填补了这一空白，”这项研究的首席研究员Momoko Ikeuchi解释说。她的团队之前的研究已经确定了WOX13在移植后组织修复和器官粘附中的作用。因此，他们首先使用两步组织培养系统测试了该基因在控制WOX13拟南芥突变体(WOX13功能失调的植物)的茎再生中的潜在作用。

表型和成像分析显示，缺乏WOX13的植株的茎再生速度加快(快3天)，而诱导WOX13表达的植株的茎再生速度较慢。此外，在正常植物中，WOX13在SAM中局部表达水平降低。上述结果表明，WOX13对茎部再生具有负调控作用。

为了验证他们的发现，研究人员在多个时间点使用RNA测序将WOX13突变体和野生型(正常)植物进行了比较。在诱导愈伤组织的条件下，WOX13的缺失并未显著改变拟南芥基因的表达。然而，芽诱导条件显著增强了WOX13突变诱导的改变，导致芽分生组织调节基因上调。

有趣的是，在突变植物中，这些基因在WOX13过表达的24小时内被抑制。总的来说，他们发现WOX13抑制茎分生组织调节因子的一个子集，同时直接激活参与细胞扩增和细胞分化的细胞壁修饰基因。随后基于Quartz-Seq2的单细胞RNA测序(scRNA-seq)证实了WOX13在多能愈伤组织细胞命运中起关键作用。

该研究强调，与其他已知的茎再生负调控因子(仅阻止愈伤组织向SAM转变)不同，WOX13通过促进获取替代命运来抑制SAM规范。它通过与调节因子WUS相互抑制的调控回路实现这种抑制，通过转录抑制WUS和其他SAM调节因子，诱导细胞壁修饰因子，促进非分生细胞的命运。

因此，WOX13是再生效率的主要调节因子。“我们的研究结果表明，敲除WOX13可以促进芽命运的获取，提高芽调控效率。这意味着WOX13基因敲除可以作为农业和园艺的一种工具，促进组织培养介导的作物新生芽再生，”Ikeuchi总结道。

参考文献：“WUSCHEL-RELATED HOMEOBOX 13 suppresses de novo shoot regeneration via cell fate control of pluripotent callus” by Nao Ogura, Yohei Sasagawa, Tasuku Ito, Toshiaki Tameshige, Satomi Kawai, Masaki Sano, Yuki Doll, Akira Iwase, Ayako Kawamura, Takamasa Suzuki, Itoshi Nikaido, Keiko Sugimoto and Momoko Ikeuchi, 7 July 2023, Science Advances.