An apical hypoxic niche sets the pace of shoot meristem activity

頂端缺氧微環(huán)境設(shè)定莖尖分生組織活動節(jié)奏

來源：Nature, volume 569, 2019, pages 714-717

《自然》，第569卷，2019年，頁碼714-717

 

摘要

這篇論文研究發(fā)現(xiàn)植物莖尖分生組織（SAM）發(fā)育在一個低氧微環(huán)境中，這種缺氧條件對于調(diào)控新葉生產(chǎn)是必需的。研究使用遺傳報告系統(tǒng)和體內(nèi)氧測量相結(jié)合的方法，發(fā)現(xiàn)SAM中存在一個缺氧微環(huán)境，其缺氧程度與干細胞巢重疊。研究鑒定出LITTLE ZIPPER 2（ZPR2）蛋白作為N-degron通路的底物，在缺氧條件下穩(wěn)定存在，通過抑制HD-ZIP III轉(zhuǎn)錄因子活性來調(diào)節(jié)SAM活動。結(jié)果表明氧作為一種可擴散信號，在需氧條件下參與植物干細胞活性控制，空間分布的氧差異影響植物發(fā)育。

 

研究目的

研究目的是探究植物莖尖分生組織中的氧環(huán)境及其對發(fā)育的調(diào)控機制，特別是驗證SAM中是否存在生理性缺氧微環(huán)境，以及這種低氧條件如何通過分子機制調(diào)節(jié)分生組織活性和葉器官發(fā)生。

 

研究思路

研究思路是使用微型Clark型氧電極測量SAM中的氧濃度分布，結(jié)合缺氧誘導(dǎo)基因表達分析和pH響應(yīng)報告系統(tǒng)驗證SAM的缺氧狀態(tài)。通過分子生物學(xué)和遺傳學(xué)方法鑒定ZPR2作為氧敏感靶標(biāo)，研究其在N-degron通路下的穩(wěn)定性調(diào)控機制。利用突變體、報告基因和生化分析探究ZPR2與HD-ZIP III轉(zhuǎn)錄因子的互作關(guān)系，最后通過體內(nèi)外實驗驗證缺氧-ZPR2-HD-ZIP III模塊對SAM活性的調(diào)控作用。

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義

1 SAM氧濃度數(shù)據(jù)來自圖1a，使用丹麥Unisense微型氧電極測量。研究意義是直接證實SAM中存在顯著的氧濃度梯度，中心區(qū)域氧分壓低至約4 mmHg，揭示植物干細胞巢與動物類似，也存在于低氧微環(huán)境中，為缺氧調(diào)控發(fā)育提供直接證據(jù)。

 

2 缺氧響應(yīng)基因表達數(shù)據(jù)，顯示55%的核心缺氧誘導(dǎo)基因在SAM中顯著高表達。研究意義是表明SAM細胞處于功能缺氧狀態(tài)，具有活躍的缺氧信號通路，支持缺氧微環(huán)境的生理相關(guān)性。

3 pH響應(yīng)報告基因活性數(shù)據(jù)，顯示pHRPE報告子在SAM中組成型激活。研究意義是驗證SAM中存在基礎(chǔ)缺氧反應(yīng)，且該反應(yīng)能被高氧抑制，證明SAM細胞具有感知和響應(yīng)氧濃度變化的能力。

4 ZPR2蛋白穩(wěn)定性數(shù)據(jù)來自圖2c、2d，顯示ZPR2在缺氧下穩(wěn)定，依賴PRT6介導(dǎo)的降解。研究意義是鑒定ZPR2作為N-degron通路新底物，建立氧濃度與蛋白穩(wěn)定性之間的直接分子聯(lián)系，揭示氧信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機制。

 

5 葉起始速率數(shù)據(jù)來自圖1d和圖3d，顯示高氧處理和zpr2突變體葉起始速率降低。研究意義是證明缺氧微環(huán)境和ZPR2對維持正常SAM活性是必需的，將氧可用性與器官發(fā)生速率直接關(guān)聯(lián)。

 

6 ZPR2與HD-ZIP III互作數(shù)據(jù)來自圖4a、4b，顯示ZPR2抑制REV、PHB和ATHB8的轉(zhuǎn)錄活性。研究意義是闡明ZPR2通過抑制HD-ZIP III轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控下游基因表達，將氧信號與已知的發(fā)育調(diào)控通路整合。

 

 

結(jié)論

論文得出結(jié)論，植物莖尖分生組織發(fā)育在一個生理性缺氧微環(huán)境中，這種低氧條件通過N-degron通路穩(wěn)定ZPR2蛋白，從而抑制HD-ZIP III轉(zhuǎn)錄因子活性，維持SAM活性和正常葉起始速率。氧作為一種可擴散信號分子，在需氧條件下參與植物干細胞活性調(diào)控，表明氧梯度空間分布是影響植物發(fā)育的重要因素。

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

使用丹麥Unisense微型Clark型氧電極測量的數(shù)據(jù)是SAM中的氧濃度分布（圖1a），研究意義在于首次以高空間分辨率（微米級）直接證實植物莖尖分生組織中存在顯著的氧梯度，中心區(qū)域氧分壓低至約4 mmHg，這與動物干細胞巢的缺氧特征相似。這種精確測量揭示了植物干細胞微環(huán)境的物理化學(xué)特性，為理解缺氧對干細胞維持的進化保守性提供了關(guān)鍵證據(jù)。電極的高分辨率測量能夠區(qū)分SAM不同區(qū)域的氧差異，證明缺氧區(qū)域與干細胞巢重疊，將氧可用性與干細胞功能直接關(guān)聯(lián)。這種實時原位測量為研究植物發(fā)育中的氧信號提供了可靠方法，證實氧不僅作為代謝底物，更是重要的發(fā)育信號分子。