Science论文解读！揭示细胞分裂素调节植物干细胞分裂机制

2021年2月28日讯/生物谷BIOON/---在一项新的研究中，来自英国剑桥大学和美国加州理工学院的研究人员发现了一种称为细胞分裂素（cytokinin）的植物激素控制细胞分裂的机制，这一突破性发现极大地提高了我们对植物生长方式的认识。相关研究结果于2021年2月25日在线发表在Science期刊上，论文标题为“Molecular mechanism of cytokinin-activated cell division in Arabidopsis”。

拟南芥，图片来自Wikipedia。

细胞分裂是所有生命形式的基础：所有多细胞生物，包括植物和动物，都是由单个细胞分裂数十亿次而形成一个复杂的有机体。植物中的未分化干细胞作为新细胞的储备库起作用，植物可以从中生长并发育出特殊的组织。新的茎、新的叶、新的根和新的花都来源于称为顶端分生组织（apical meristem）的生长区域中的一小群干细胞。

这些生长区域中的细胞在称为有丝分裂的过程中不断分裂，从而产生植物的结构。科学家们早就知道细胞分裂素是这些细胞分裂行为的核心，但却不知道它究竟是如何刺激细胞增殖的。

在这篇论文中，这些作者首次发现细胞分裂素如何激活植物中的干细胞分裂。他们利用拟南芥--植物科学研究中常用的芥子科成员--作为模式生物，揭示细胞分裂素直接促进转录因子MYB3R4从细胞质运输到细胞核，并在那里激活关键细胞周期基因的表达。

论文第一作者Weibing Yang博士说，“了解干细胞自我更新如何受到控制对理解植物生长和发育至关重要。我们知道细胞分裂素很重要，我们的研究如今解释了细胞分裂素调节干细胞分裂的机制---它将蛋白运输到细胞核中，在那里激活参与有丝分裂的基因。”

论文共同作者、Sainsbury实验室成像核心设施经理Raymond Wightman博士补充道，“使用活植物的延时共聚焦显微镜，我们能够捕捉到对触发有丝分裂很重要的蛋白的细胞动态变化。”

Yang博士解释说，“对单个细胞的延时共聚焦显微观察揭示了MYB3R4蛋白位置的快速变化。在细胞分裂之前，这种蛋白主要在细胞质中，在有丝分裂开始时，MYB3R4在细胞核中迅速积累，随后在细胞分裂完成时，该蛋白被运输回到细胞质中。40多年来，人们已经知道植物内源性细胞分裂素水平在细胞周期中波动，并在G2/M过渡期达到高峰。我们如今证实，这个细胞分裂素峰值的直接反应是MYB3R4输入到细胞核中。”

进一步的实验表明，细胞分裂素作为一种“分子开关”发挥功能，它触发了一个正反馈循环---它促进了MYB3R4的核定位，以激活输入蛋白（importin）编码基因IMPA3和IMPA6的转录，而IMPA3和IMPA6的转录又反过来促进了MYB3R4的核输入。论文共同通讯作者Henrik Jönsson教授说说，“通过数学建模，我们证实了这种正反馈可以使MYB3R4核转运变得更快和更强。”

Yang博士补充说，“我们的研究结果可能会有实际应用。通过让核输出信号发生突变，我们能够设计出一种组成性核定位的MYB3R4蛋白，并发现它可以极大地增强干细胞增殖和分生组织生长，从而部分上模拟细胞分裂素处理的效果。”

论文共同通讯作者Elliot Meyerowitz教授说，“茎尖分生组织中细胞分裂素的增加是增加根部氮素营养物的结果之一。能够增加这种分生组织中的细胞分裂素细胞分裂反应可能提供了一种方法让植物像受精良好一样生长，即使土壤中的氮素水平不理想。”

通过让人们更深入地了解植物细胞在生长过程中如何分裂，像这项研究的基础植物科学研究可以帮助确定增强植物生长的新方法，并为未来开展影响植物健康和农业产量的研究工作奠定基础。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

1.Weibing Yang et al. Molecular mechanism of cytokinin-activated cell division in Arabidopsis. Science, 2021, doi:10.1126/science.abe2305.

2.How plant stem cells renew themselves—a cytokinin story
https://phys.org/news/2021-02-stem-cells-renew-themselvesa-cytokinin.html