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山东大学丁兆军团队揭示了植物胁迫响应因子STOP1是植物根尖干细胞微环境的重要调控因子

2024-01-10 11:32

来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

原创 Cell Press CellPress细胞科学

生命科学

Life science

2023年12月26日，山东大学丁兆军教授团队在Cell Press细胞出版社旗下期刊Cell Reports在线发表了题为“STOP1 attenuates the auxin response to maintain root stem cell niche identity”的研究成果。研究发现STOP1是植物根尖干细胞微环境的重要调控因子。进一步分析发现，STOP1的转录水平和蛋白水平都受生长素明显的诱导。

锌指转录因子STOP1（sensitive to proton rhizotoxicity1），作为明星蛋白在植物的多种胁迫包括铝胁迫、低pH和低磷等响应过程中发挥重要作用，但其是否参与正常条件下植物生长发育的调控以前并不清楚。本研究发现，stop1突变体具有根尖静止中心（Quiescent Center，QC）和远端干细胞（Distal Stem Cell，DSC）分化率显著升高的表型，说明STOP1是植物根尖干细胞微环境的重要调控因子。进一步分析发现，STOP1的转录水平和蛋白水平都受生长素明显的诱导。生长素激活的Mitogen Activated Protein Kinase 3/6（MPK3/6）蛋白激酶与STOP1互作并将其磷酸化，从而增强STOP1蛋白稳定性。大量积累的STOP1通过竞争与ARF2（Auxin Response Factor 2）互作的AUX/IAAs从而释放了ARF2，作为生长素信号的负调控因子，ARF2减弱了根尖处的生长素信号输出。

生长素对根尖干细胞微环境的维持至关重要，然而特异的增加或减弱QC处的生长素合成或信号都会严重影响正常根尖干细胞微环境的维持。已有的研究大都是围绕根尖QC最佳生长素水平维持的分子机制，但植物如何在生长素浓度过高时依然维持最佳的生长素信号输出（信号衰减）却少有研究。该研究一方面发现了一个MPK3/6-STOP1/ARF2分子调控模块，能够在生长素大量积累时通过调控生长素信号的衰减以防止生长素信号过度响应，从而维持一个最佳的根尖生长素信号响应水平及根尖干细胞微环境的稳态；另一方面，揭示了锌指转录因子STOP1除了参与铝胁迫、低pH和低磷等胁迫条件下根生长发育的调控，也是正常条件根尖干细胞微环境的重要调控因子，拓展了对其生物学功能的认识。

作者专访

Cell Press细胞出版社公众号特别邀请丁兆军教授代表研究团队接受了专访，请他为大家进一步详细解读。

CellPress：

在研究过程中遇到哪些困难或挑战？

丁兆军教授：

我们前期的研究发现，低pH能显著诱导根尖QC分裂和DSC分化，因此我们花费了大量的时间和精力去解析STOP1响应低pH诱导根尖QC分裂和DSC分化的调控机制。但随着研究的深入，我们发现stop1突变体即使在没有低pH处理的情况下也存在根尖QC分裂和DSC分化的现象，说明STOP1的角色不仅仅局限在我们之前对它的认知（胁迫响应因子），它可能也是植物正常生长发育所必须的。这个意外却又幸运的发现让我们成功揭示了STOP1通过调控生长素信号的衰减以维持根尖干细胞微环境稳态的现象。此外，由于根尖QC分裂和DSC分化很容易受到植物生长环境的影响，包括温度、pH、甚至不同品牌的MS培养基也会因为某种未知原因诱导根尖QC分裂和DSC分化，为表型分析带来了无形的困难。我们只能尽可能多的增加实验样本的数量和生物学重复的次数，尽可能增强分析结果的可靠性。

CellPress：

STOP1是调控植物铝胁迫的重要转录因子，促使您研究其在生长发育上的作用的原因是什么？如何发现它对于root SCN的作用？

丁兆军教授：

我们实验室多年来一直围绕“植物根可塑性生长发育的分子机理”开展研究，除了研究植物正常条件下根生长发育的分子机制，也关注植物在不同胁迫条件下如何通过调整根的结构、生长速度或生长方向，以更好地适应其周围不同的逆境。其中，我们对生长素如何介导铝胁迫抑制主根伸长方面过去几年做过相对系统的研究。发现在模式植物拟南芥响应铝胁迫时，通过调控生长素的极性运输和根尖转换区的生长素局部合成，造成生长素在根尖转化区大量积累，最终抑制了根的生长。相反，在玉米根尖，铝胁迫抑制主根生长主要是由于根尖转换区生长素的匮乏引起的。我们对拟南芥和玉米根尖响应铝胁迫时，根尖生长素最大化或最小化如何建立的分子机制做了较为深入的探究。

在聚焦铝胁迫抑制根调控机理的研究过程中，我们通过STOP1启动子驱动GFP荧光标记分析发现，STOP1在根尖QC和其周围的干细胞大量表达，因此推测该基因很可能参与对根尖干细胞微环境的调控。所以对stop1突变体根尖QC及干细胞分化的表型做了详细的分析，发现该突变体具有明显的根尖QC分裂和DSC分化显著增强的表型。该结果说明STOP1除了介导铝胁迫调控植物根生长以外，也是正常条件下植物根尖干细胞微环境维持的重要调控因子，随后我们对其分子调控机理做了深入的研究。

CellPress：

这个机制的发现对于植物生长素信号调控机理的认识有什么新的补充和深化？

丁兆军教授：

生长素是调控植物生长发育的重要植物激素之一，也是最早被发现的植物激素。随着2005年生长素受体的发现，经典的生长素信号的传递过程逐步被解开。生长素信号的响应首先起始于细胞内的生长素被其受体TIR1 (TRANSPORT INHIBITOR RESPONSE 1)及其同源受体蛋白AFBs (AUXIN SIGNALING F-BOX PROTEINS)识别，通过促进共受体AUX/IAA转录抑制因子的泛素化降解，从而释放被抑制的生长素响应因子 ARFs (AUXIN RESPONSE FACTORS)，调控基因转录并介导生长素信号的传递。因此，除了生长素的受体，AUX/IAAs抑制子和ARFs转录因子是调控生长素信号响应的重要调控因子。该研究发现，逆境响应的明星转录因子STOP1通过竞争AUX/IAAs与ARF2互作从而负调控生长素信号的响应。该研究说明，除了AUX/IAAs和ARFs这两类 “专职”的生长素信号调控因子以外，其它蛋白或转录因子也可能通过和这两类 “专职”的生长素信号调控因子互作参与生长素信号的调节，从而大大增加了生长素信号多样性的调控。另外，已有的研究大都围绕植物响应生长素时如何实现信号的激活和信号传递，我们鉴定到的MPK3/6-STOP1-ARF2分子调控模块，阐示了植物在生长素大量积累时如何防止生长素信号的过度响应，从而维持一个最佳的生长素信号响应水平，这也是生长素发挥其生物学效应过程中至关重要的一环。该研究不仅对植物组织或细胞特异的生长素最佳信号的分子机制提供了一个很好的范例，也对其它激素信号分子调控机理的研究研究具有重要的借鉴意义。

CellPress：

本研究揭示的STOP1维持根尖干细胞微环境稳态的机理对于我们理解植物发育和抗逆之间的trade off有什么新的启示？对未来的生物育种有没有潜在的价值？

丁兆军教授：

STOP1是植物响应多种胁迫或逆境的核心调控因子，其突变体stop1最初是通过对低pH压力（H+，质子根毒性）的遗传筛选鉴定出的超敏感变体，表现出在低pH条件下根生长被严重抑制的表型。后续的研究发现，STOP1对植物的逆境适应体现出显著的多效性，参与铝胁迫、低pH和低磷等胁迫条件下根的可塑性生长发育和逆境适应过程。有意思的是，尽管stop1突变体在低pH或铝胁迫等逆境条件下表现出根长被严重抑制的表型，但其正常生长条件下根的生长基本不受影响。本研究发现，尽管在正常生长条件下stop1突变体的根长不受影响，但表现出明显的根尖QC及干细胞分化的表型。由于根尖QC和周围干细胞组成的干细胞微环境在根的生长发育过程中发挥重要作用，而且根尖干细胞微环境稳态的维持对植物周围生长环境尤其是逆境极为敏感，很多胁迫都会诱导根尖QC分裂以补充由于胁迫诱导的干细胞被过度分化的表型。因此，在各种逆境条件下，STOP1调控的根尖干细胞微环境稳态的维持就显得尤为重要，也不难理解为什么其突变体表现出根的生长被严重抑制的表型。由于STOP1的功能是衰减根尖处的生长素信号以维持QC和DSC的稳态，所以胁迫过度激活的STOP1可能会过度抑制生长素信号并造成生长素信号不足的处境，从而导致根生长的减慢。在正常生长条件下，STOP1功能的丧失并没有导致多种逆境条件下明显的短根表型，说明很可能在不同逆境条件下，其它响应逆境的调控因子与STOP1抑制的生长素信号协同造成短根的表型；另外，从环境适应的角度讲，逆境下激活的STOP1通过衰减生长素信号以减慢自身的生长，此举可能有助于提高植物的逆境适应能力，因此该基因也是未来通过生物技术手段进行作物或经济植物抗逆育种的重要靶点。

作者介绍

丁兆军

教授

丁兆军，男，博士生导师，2004年博士毕业后先后在德国和比利时做博士后研究。2011年9月至今，山东大学任教。围绕植物激素介导根的可塑性生长发育与逆境适应开展研究，先后在Mol. Plant, Science Advances, PNAS, EMBO J., Plant Cell, Nat. Communications, EMBO Reports, Cell Reports等国际知名期刊发表80多篇学术论文，被引用6300多次，部分成果荣获2020年山东省自然科学一等奖。兼任Frontiers in Plant Science副主编、New Crops副主编、 J Integr Plant Biol.、Plant Cell&Environment、New Phytologist 和植物学报等杂志编委，F1000/Faculty Opinion资深评论专家。