山东大学环境研究院，山东大学环境研究院和环境科学与工程学院
根是植物从土壤中吸收水分和养分的重要器官，其生长发育高度依赖于由静止中心细胞及其周围干细胞组成的根尖干细胞微环境。生长素对根尖干细胞的维持起着关键作用，根尖干细胞稳态的维持需要一个最佳的生长素水平和生长素信号。以往的研究主要集中在植物根尖的最佳生长素水平或最佳生长素信号如何被精细调控的，生长素信号如何被解读以维持根尖干细胞微环境稳态是该领域尚未解决的重要科学问题。
近日，山东大学丁兆军教授团队在国际权威学术期刊PNAS在线发表了题为Dual regulations of cell cycle regulator DPa by auxin in Arabidopsis root distal stem cell maintenance的研究论文，揭示了生长素通过DPa在转录和翻译后水平的双重调控来维持根尖远端干细胞稳态的分子机制。
在这项研究中，研究人员发现在dpa突变体中，约30%突变体幼苗表现出根尖远端干细胞活性的缺失，表现为根尖QC相邻的小柱细胞有淀粉颗粒的积累（图1）。而同时过表达E2Fa和DPa的35S::E2Fa-DPa植株的幼苗根中表现出高比例的双层根尖远端干细胞 (双层远端干细胞的幼苗约占36%，而WT中只有不到5%)（图1）。而且，生长素处理后的WT幼苗表现出更高的根尖远端干细胞缺失率（80%的幼苗缺乏根尖远端干细胞，而未处理的WT只有不到10%）。然而，35S::E2Fa-DPa植株在生长素处理后仍表现出约25%的幼苗根有2层根尖远端干细胞（图1）。这表明在生长素促进的根尖远端干细胞分化的过程中，DPa通过介导生长素信号正调控根尖远端干细胞功能的维持。
图1. DPa介导生长素信号通路调控根尖远端干细胞的维持
进一步的研究发现，生长素在转录和翻译后水平共同促成了DPa蛋白的积累。在转录方面，生长素通过AUXIN RESPONSE FACTOR 7 (ARF7)和ARF19诱导DPa的转录，并且在根尖远端干细胞维持中起着重要作用。
在蛋白稳定性调控方面，生长素通过激活MITOGEN-ACTIVATED PROTEIN KINASE 3 (MPK3)/MPK6，磷酸化DPa并导致其蛋白更加稳定。体内和体外的磷酸化试验鉴定到了MPK3/6磷酸化DPa的Thr10、Thr25和Thr227三个位点。为了研究MPK3/MPK6介导的磷酸化是否影响DPa的蛋白质稳定性，研究人员构建了35S::DPa-GFP、35S::DPa3A-GFP（模拟非磷酸DPa）和35S::DPa3D-GFP（模拟持续磷酸DPa）的转基因植物。与35S::DPa-GFP相比，35S::DPa3A-GFP的稳定性降低，而35S::DPa3D-GFP的稳定性增强，并且这个过程依赖于生长素信号。同时，遗传学试验也证明了生长素通过MPK3/MPK6介导的磷酸化稳定DPa蛋白。
为了确定MPK3/MPK6介导的DPa磷酸化是否影响根尖远端干细胞的维持，研究人员检测了DP磷酸位点突变的稳定转基因系根尖干细胞的表型。结果表明，35S::E2Fa-DPa有2层根尖远端干细胞的比率约为30%，35S::DPa3D-GFP/35S::E2Fa有2层根尖远端干细胞的比率约为65%。而35S::DPa3A-GFP/35S::E2Fa并没有很高的2层根尖远端干细胞的比率（表现为9%的两层远端干细胞，在野生型中的比列小于6%）。并且遗传学表型分析表明，MPK3SR中根尖远端干细胞高度分化的表型（在100%的幼苗没有根尖远端干细胞，而WT中只有不到10%），在MPK3SR/35S::E2Fa-DPa背景下被部分回补，只有75%的幼苗根系显示远端干细胞出现分化。这些结果表明，MPK3/MPK6通过正调控DPa蛋白的稳定性维持了根尖远端干细胞的稳态。
综上所述，生长素利用经典的生长素信号途径通过ARF7/ARF19调控DPa转录，同时通过激活MPK3/MPK6激酶磷酸化修饰DPa并导致其蛋白稳定性增加，进而维持根尖干细胞的稳态（图2）。本研究为解析生长素如何通过DPa在转录和翻译后水平的双重调节来调控根尖远端干细胞的分子机制提供了新的见解，是植物干细胞领域的重要研究进展。
图2. DPa介导生长素信号维持根尖远端干细胞的稳态
山东大学博士研究生王俊霞为本论文的第一作者，山东大学丁兆军教授为本论文的通讯作者，山东大学田会玉副教授为本论文的通讯作者，福建农林大学徐通达教授团队也参与了该项研究。本研究得到了国家自然科学基金项目的资助。
该研究是丁兆军教授团队2023年以来取得的又一重要进展。该团队近期揭示了生长素通过BZR1调控植物下胚轴伸长的分子机制（点击查看：），阐明NAC1转录因子协同根发育核心调控因子SCR和SHR调控植物根发育的新机制（）。
论文链接：
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2218503120
山东大学环境研究院(山东大学环境研究院和环境科学与工程学院)