植物茎尖分生组织表皮水力动力学调控水分稳态以促进陆地环境适应的机制研究

本刊推荐：为解决植物如何维持茎尖分生组织水分稳态以适应陆地环境湿度波动的问题，研究人员开展了关于表皮水力动力学调控机制的主题研究。研究发现，拟南芥茎尖分生组织通过ATML1-PIP2;5模块在表皮层建立水分通道，感知局部湿度变化并调节干细胞活性。该水力系统在植物进化中保守存在，且PIP2;5自然变异与干旱气候适应相关，为作物抗旱育种提供了新策略。

　　

植物在4.7亿年前从水生环境向陆地环境进化过程中，面临的最大挑战是如何应对干旱胁迫。虽然维管植物进化出了专门的输导结构用于长距离水分运输，但如何维持分生组织这类持续分裂的未分化组织的水分稳态，始终是未解之谜。茎尖分生组织(shoot apical meristem, SAM)作为植物地上所有组织的来源，其干细胞活性直接影响植物的生长发育和作物产量，然而这个位于植物顶端的组织远离土壤水源，如何避免脱水死亡并维持正常功能，成为植物适应陆地环境的关键问题。

发表在《Developmental Cell》的这项研究首次揭示植物茎尖分生组织存在于一个高湿度微环境中，并通过表皮水力动力学系统精确调控水分稳态，这一发现不仅解释了植物茎尖如何应对湿度波动，更揭示了植物适应陆地环境的进化机制。

研究人员主要采用了 stimulated Raman scattering (SRS) 显微镜技术进行无标记水分动态监测，运用染色质免疫沉淀(ChIP)和电泳迁移率变动分析(EMSA)研究转录调控机制，通过异源表达系统（非洲爪蟾卵母细胞）检测水通道蛋白活性，利用CRISPR-Cas9基因编辑技术构建突变体，并结合自然群体遗传学分析和近等基因系验证表型。

研究首先发现拟南芥茎尖分生组织存在于一个高湿度生态位中。通过冷冻扫描电镜和显微CT扫描观察，研究人员发现茎尖分生组织被幼嫩器官紧密包裹。当将茎尖分生组织直接暴露于空气中时，干细胞在2分钟内迅速萎缩，表明发生了快速失水。而通过SRS显微镜直接观察发现，液态水能够快速流入茎尖分生组织内部，时间常数仅为9.0±0.5秒，证明茎尖分生组织具有主动吸收水分的能力。

研究人员通过系统性基因表达分析发现，在12个质膜内在蛋白(plasma membrane intrinsic proteins, PIPs)中，PIP2;5在茎尖分生组织表皮(L1)细胞中特异性高表达。进一步机制研究表明，同源域亮氨酸拉链(homeodomain leucine zipper, HD-ZIP)转录因子ARABIDOPSIS THALIANA MERISTEM LAYER 1(ATML1)通过直接结合PIP2;5启动子中的L1-box motifs，激活其转录表达，形成ATML1-PIP2;5转录模块。

功能实验表明，PIP2;5是一个功能性水通道，在原生质体膨胀试验中能够促进水分运输。pip2;5突变体的茎尖分生组织脱水时间延长至203±53秒，较野生型的127±44秒显著延迟。在高湿度(90% RH)条件下，野生型茎尖分生组织大小减小，L1细胞数量减少一半以上，而pip2;5突变体对这种高湿度抑制效应的敏感性降低。

转录组分析显示，高湿度条件下野生型茎尖分生组织中缺氧、脱落酸(abscisic acid, ABA)和乙烯响应相关基因表达上调，而角质层蜡质生物合成相关基因下调。这些转录组重编程在pip2;5突变体中大大减弱，表明PIP2;5参与了对空气湿度的分子响应。

研究人员进一步分析了PIP2;5的自然变异。通过对1135个拟南芥种质的基因组序列比较，发现了16个单核苷酸多态性(single-nucleotide polymorphisms, SNPs)，其中3个是非同义突变，形成了7种单倍型。主要单倍型Hap0和Hap6分别占76.6%和19.5%。分子动力学模拟显示，Hap6中的Ser70和Ala75取代导致loop A关闭和跨膜螺旋重排。非洲爪蟾卵母细胞渗透性试验表明，Hap6的水渗透性(Pf)值为(2.7±0.5)×10^-2 cm/s，显著低于Hap0的(3.8±0.6)×10^-2 cm/s。

地理分布分析发现，PIP2;5单倍型与空气湿度显著相关(Pearson's χ²检验, p<0.0001)。Hap0主要分布在湿度较高的中欧地区，而Hap6在湿度较低的西班牙等地区富集，表明茎尖分生组织水力传导性可能经历了气候驱动的自然选择。

研究发现这种表皮水力系统在单子叶植物水稻中也是保守的。水稻ATML1直系同源基因RICE OUTERMOST CELL-SPECIFIC 1(ROC1)能够结合OsPIP1;1启动子并激活其在表皮细胞中的表达。ospip1;1突变体的茎尖分生组织脱水速度较野生型更慢，且表现出穗长和分枝数减少的表型。

更重要的是，研究人员在基部陆地植物地钱(Marchantia polymorpha)中也发现了类似机制。地钱中MpC4HDZ(ATML1直系同源基因)能够激活MpPIP1和MpPIP2的表达。Mppip1 Mppip2双突变体表现出严重的脱水表型，而MpC4HDZ过表达则促进地钱叶状体直立生长。这表明HD-ZIP转录因子激活水通道蛋白表达是陆地植物早期的进化创新，早于维管系统的出现。

研究还发现，番茄、大豆和玉米的茎尖分生组织也存在类似的水力交换现象，表明这种水力交换机制在不同植物类群中是保守的。

研究结论表明，植物茎尖分生组织通过一个进化上保守的表皮水力系统维持水分稳态，该系统由HD-ZIP IV转录因子激活的水通道蛋白组成，能够感知局部湿度变化并精细调节干细胞活性。这种表皮水力动力学经历了气候驱动的自然选择， contributes to plant adaptation to terrestrial environments。

该研究的重要意义在于揭示了植物茎尖分生组织水分稳态维持的新机制，为理解植物适应陆地环境的进化提供了新视角。同时，研究发现的水通道蛋白自然变异与干旱适应的关联性，为作物抗旱育种提供了新的分子靶点和育种策略。随着气候变化导致的干旱事件日益频繁，这项研究对于保障农作物生产安全和粮食安全具有重要的实践意义。

研究的局限性在于SRS显微镜虽然能够追踪液态水流入茎尖分生组织的过程，但尚不清楚湿空气中的水蒸气相是否能被干细胞直接吸收。此外，虽然研究发现表皮中的水分传导性在高湿度条件下受到抑制，但ATML1-PIP2;5模块如何响应湿度变化的机制仍需进一步研究。