拟南芥花分生组织中生长素信号通路的随机基因表达模式及其发育调控机制

本研究揭示了拟南芥花分生组织中生长素响应基因DR5、AHP6和DOF5.8的随机表达特征及其发育调控机制。通过双报告系统定量分析发现，早期分生组织的生长素信号模式具有高度变异性，主要受细胞内在分子噪声影响；随着发育进程，细胞数量增加产生的空间平均效应缓冲了随机噪声，最终形成稳健的器官发生模式。该研究首次在非组成型启动子驱动的激素响应基因中证实了随机表达现象，为理解多细胞生物发育稳健性提供了新视角。

　　

在生命体发育过程中，基因表达的精确调控一直是科学家关注的焦点。有趣的是，即使遗传背景完全相同的细胞，也会表现出显著的基因表达随机性，这种现象在细菌、酵母等单细胞生物中已有较多研究。然而，在多细胞生物尤其是植物中，非组成型启动子（如激素响应启动子）驱动的基因表达是否具有随机性，以及这种随机性如何影响发育过程，仍是未解之谜。生长素作为植物发育的核心调控激素，其信号通路的DR5报告系统被广泛应用，但该报告系统的表达是否具有随机性尚不清楚。这直接关系到如何正确解读生长素信号模式，以及理解器官发生过程中的模式形成机制。

为解决这些问题，康书耀等研究人员在《Nature Communications》发表了关于拟南芥花分生组织中生长素信号随机表达的研究。通过构建DR5、AHP6和DOF5.8的双荧光报告系统，结合定量成像分析，首次揭示了生长素响应基因表达的随机性特征及其发育调控规律。

研究主要采用以下关键技术：1）构建DR5::VENUS/mScarlet-I、AHP6::mNG/mScarlet-I和DOF5.8::mNG/mScarlet-I双报告转基因系统；2）基于pATML1::H2B-TFP标记的活体共聚焦显微成像；3）形态定量平台MorphoGraphX进行三维图像处理和细胞水平信号量化；4）外源生长素类似物2,4-D和细胞分裂抑制剂oryzalin处理实验；5）新型噪声计算模型区分外在噪声（η_ext）和内在噪声（η_int）。

生长素信号在年轻花分生组织中表现出变异性并逐渐稳定
研究发现早期（1a-2a阶段）花分生组织的DR5表达模式在个体间存在显著差异，表现为随机分布的高信号斑块。这种变异性随发育逐渐降低，到2b-2c阶段形成四个稳定位于萼片原基的 maxima。对照实验显示pATML1::H2B-TFP的表达则保持均一稳定。

生长素转运、水平和感知对DR5变异性的贡献有限
通过2,4-D处理消除生长素梯度后，DR5仍保持随机表达模式，变异系数（CV）仅降低19.7-37.8%。R2D2报告系统显示生长素感知蛋白TIR1/AFB的活性分布模式稳定（CV仅为DR5的一半），表明DR5变异性主要来源于下游基因表达过程。

DR5随机表达主要源于基因表达的内在分子噪声
双报告系统分析显示，两个DR5报告基因的表达呈低相关性（η_ext=1.822 vs η_int=1.689）。这种内在噪声无空间分布规律，且不随发育阶段改变，即使在模式稳定的2c阶段，单个细胞内仍常见仅一个报告基因表达的现象。

内源生长素响应基因AHP6和DOF5.8的噪声特征
AHP6表达受外在和内在噪声共同影响（η_ext≈η_int），其噪声水平低于DR5，且在萼片原基区域噪声较低。DOF5.8的噪声介于DR5和AHP6之间，在维管前体细胞中深层细胞的噪声低于表层细胞。两种内源基因的噪声均表现出空间特异性。

细胞数量增加通过空间平均效应提高模式稳健性
oryzalin处理减少细胞数量后，虽然单细胞噪声不变，但全局DR5模式变异性显著增加。这表明发育后期细胞数量增多可通过"空间平均"效应缓冲单细胞噪声，使器官发生位置保持稳健。

该研究首次系统揭示了植物激素响应基因的随机表达特征，建立了分析非组成型启动子噪声的新方法。发现DR5报告系统的细胞水平噪声提示需谨慎解读单细胞数据，而内源基因的噪声调控机制可能涉及启动子结构差异（如AuxRE元件的数量和分布）。更重要的是，研究提出了"细胞数量-模式稳健性"的理论框架，解释了发育过程中如何通过增加细胞数量来抵消随机噪声的影响。这些发现不仅为理解植物器官发生提供了新视角，也为研究癌症等疾病中的基因表达异质性提供了借鉴。

研究还留下若干开放问题：不同ARF转录因子对噪声的过滤作用、启动子结构与噪声水平的定量关系、以及噪声是否被主动利用来促进细胞命运决定等，都将成为未来研究的重要方向。