从模式植物到作物的“种子”细胞——首届植物干细胞与再生国际研讨会概述

桂乐月，姚 立，陈春丽

(华中农业大学 生命科学技术学院 湖北洪山实验室，武汉 430070)

由华中农业大学主办的“第一届植物干细胞与再生国际研讨会”于2022年5月2日至3日线上举行。华中农业大学生命科学技术学院院长熊立仲与沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学(KAUST)Ikram Blilou教授在开幕辞中指出，干细胞与再生是科学界最具挑战性的前沿问题之一，位于Science公布的最重要的25个科学问题中，包括“什么控制着器官再生”“单个体细胞如何长成完整植株”等。植物干细胞作为“种子”细胞的一种，对解决无性繁殖这一种业发展的关键技术有着重要的科学意义。

来自美国、英国、新西兰、墨西哥、沙特阿拉伯、日本和中国等7个国家的14位科学家，以早期陆生模式植物小立碗藓(Physcomitriumpatens)、双子叶模式植物拟南芥(Arabidopsisthaliana)、粮食作物水稻(Oryzasativa)与小麦(Triticumaestivum)、园艺作物苹果(Malusdomestica)与来檬(Citrus×aurantiifolia)以及药用植物人参(Panaxginsen)为研究对象，报告了植物干细胞与再生领域的最新研究进展。

1 早期陆生模式植物小立碗藓干细胞与再生研究报告

陆生植物细胞有较高的全能性，其中苔藓植物小立碗藓因其简单的生命周期与较高的干细胞全能性成为植物干细胞研究的模式植物。小立碗藓叶片细胞能被机械损伤诱导重编程为干细胞。日本基础生物学研究所石川雅树博士介绍了小立碗藓中一个包含STEMIN、PpCSP、PpWOX13L、ATG、CYCD;1、CDKA、H3K27me3、EXPB4与自噬作用的干细胞形成调控网络[1]。STEMIN1是从小立碗藓中鉴定出来的一个重编程因子，能应答损伤信号，诱导体细胞重编程产生干细胞。STEMIN1在细胞分裂前降低其直接靶向基因的H3K27me3水平，可能作为一个平台将组蛋白修饰元件招募到特定位点，从而直接或间接调控下游基因的染色体状态，激活靶基因的表达[2]。PpCSPs 增强细胞重编程能力，并可作为RNA结合蛋白发挥作用，调节mRNA在细胞质基质中的成熟、稳定性或翻译，与哺乳动物的Lin28功能类似[3]。STEMIN和PpCSP基因可互相诱导，各自独立地被损伤激活。自噬被机械损伤激活，不仅在细胞重编程中发挥作用，也通过吞噬分化相关元件让叶细胞更宜于重编程[4]。

除了机械损伤，DNA损伤也可诱导重编程。华中农业大学陈春丽教授介绍了小立碗藓中DNA损伤是体细胞重编程的一种新型诱导因子[5]。DNA损伤试剂喜树碱、Zeocin和博来霉素短暂处理可以诱导小立碗藓叶细胞经历不对称分裂重编程为绿丝体顶端干细胞，获得产生新的完整茎叶体能力。这些试剂引起的单链DNA损伤即可引起体细胞重编程，且不出现细胞死亡。DNA断裂诱导的重编程依赖于ATR和STEMINs，且ATR位于STEMIN1的上游[5]。

北海道大学藤田知道教授以小立碗藓原生质体为试验材料，研究不对称分裂(asymmetric cell division，ACD)、对称分裂(symmetric cell division,SCD)及其过程中的动力学。GRAS家族转录因子pph16o21对ACD细胞极性和细胞壁完整性等特征都有影响，对ACD过程中顶端干细胞形成的空泡形态学和定位调控尤其重要。其功能可能是由水通道蛋白(AQP)中的几个成员，如PIP1;5和PIP2;2所介导。非生物胁迫和ABA处理可诱导原丝体细胞转化为“抗胁迫细胞”芽孢(brood cells)。脱落酸(ABA)可迅速抑制16o21转录和胞间通信，通过使细胞分裂模式从ACD到SCD改变，诱导普通原丝体到抗逆干细胞的命运转变。ABA信号参与干细胞调控和胞间通信的关键步骤，可能集成在更多重要的发育阶段。这种联系应该是陆生植物在严酷陆地环境求生的基础。鉴于核心 ABA 信号通路最早在陆地植物的最后一个共同祖先中建立，ABA 信号与调节干细胞动力学和发育程序的联系，可能是陆地植物成功进化的关键。

2 双子叶模式植物拟南芥干细胞与再生研究报告

拟南芥因其基因组较小，生长周期短、生长条件易于创建和遗传转化简单等特点一直以来都是植物学基础理论研究的模式植物。本次会议有6位报告人介绍各自研究团队在拟南芥中干细胞与再生研究的最新进展。

细胞多能性是生物学的基础。人类很早就知道已经分化的体细胞可能重新获得多能性，但其潜在机制尚不清楚。中国科学院分子植物科学卓越创新中心徐麟研究员通过对拟南芥组织培养中愈伤组织再生相关的4个问题的解答，对当前拟南芥愈伤组织再生研究做了简单总结。第一个问题讨论了可以形成愈伤组织的组织或细胞类型。报告认为有形成根器官能力的维管干细胞,可以被诱导产生愈伤组织。第二个问题是什么是愈伤组织。愈伤组织细胞依据其表达模式可以分为数类，成熟愈伤中结构类似根尖分生组织的细胞龛拥有再生能力,并且成熟愈伤组织中层由与根尖静止中心(quiescent center,QC)表达模式相近的细胞组成[6]。第三个问题是为什么愈伤组织具有再生多种器官的能力？依据其团队的研究,他认为，成熟愈伤组织的中间层细胞具有干细胞活性、积累生长素的能力和对细胞分裂素的超敏反应,由此突破了在普通体细胞中生长素与细胞分裂素相互拮抗的局面,从而引起组织器官的再生。最后，徐麟研究员提到他对植物干细胞多能性进化模式的见解，认为在植物进化过程中，干细胞多能性这一特性的保留是基于Auxin-PLT-WOX模型的保守性[7]。

现如今，组织培养已经是植物研究与生产的重要手段。在许多植物物种中，分离叶肉原生质体再生整个植株的方式已经被广泛应用在植物的遗传转化中。促进原生质体的再生效率以及认清原生质体再生的分子机制一直以来是植物生物工程面临的重要问题。中国科学院大学汪颖博士介绍了其研究团队鉴定的两个异位激活促进原生质体再生的转录因子WUS和DRN，同时还提出了叶肉原生质体获得全能性的模型。即原生质体的分离导致全基因组染色质可及性的增加，从而促进基因表达的随机激活，这种转录组混乱与细胞间基因表达变异的增加创造了一个细胞水平的进化驱动因素，最终具备再生基因表达模式的原生质体细胞在进化选择中胜出[8]。

根尖干细胞因其结构简单，一直是植物干细胞研究中的良好模型。墨西哥生物多样性基因组学国家实验室的Luis Alfredo Cruz Ramírez博士讲述了拟南芥根尖干细胞龛(root stem cell niche,RSCN)维持所需要的两个主要的调控回路。第一个是RBR蛋白与转录因子SCR相互作用，重新塑造皮质-内皮层初始(cortex-endodermis initial,CEI)细胞和根尖QC细胞的状态，该回路还有SHR和CYCD6两个基因的参与[9]。第二个回路是Auxin-AIL/PLT通路。ANT/PLT基因是生长素诱导的转录因子，主要在分裂组织中表达，发挥着RSCN维持、胚胎发育和侧向器官形成等重要作用。对这一通路的研究显示生长素反应因子(ARFs)在AIL/PLT基因的上游介导该信号通路。此外，AIL/PLT转录因子调控根和茎部生长素生物合成和运输基因的转录，从而建立Auxin-AIL/PLT正反馈回路[10]。之后，他还简单介绍了在进化发育模式植物地钱中对RBR-SCR-CHR-CYCD回路以及ANT/PLT-Auxin调控通路的研究进展。根的生长依赖于RSCN的维持和分生组织中细胞的持续分裂。多年来，美国佛罗里达州立大学终身教授崔洪昌博士一直致力于拟南芥根尖干细胞更新与活性维持的新调控因子的鉴定。他的研究团队通过比较分析拟南芥根中不同细胞类型的转录组来寻找特异性调控RSCN的因子，其中很多被鉴定出的基因功能仍不清楚。之前对TGA家族的研究都集中于生物和非生物胁迫反应，近期，他们对TGA家族因子在这一过程中的功能进行挖掘，研究显示，TGA家族因子在拟南芥根尖干细胞龛的维持、细胞增殖和伸长中具有广泛作用，但它们使用不同的机制调控根尖的氧化还原稳态。之后他讲述了自己实验室通过对scr突变体进行遗传筛选，并对获得的一个突变体进行鉴定的研究工作。这项工作发现scr促进了多个端粒保护因子的表达，从而通过确保端粒的完整性来维持干细胞活性[11]。

KAUST大学Ikram Blilou教授研究了控制植物根部蛋白质运动和不对称细胞分裂的调控网络，通过体内细胞分辨率级别的图谱定位蛋白质复合物，并揭示它们独特的空间分布如何在不同环境条件下介导特定基因表达和细胞命运决定[12-15]。Blilou教授分享了其实验室近期对胚胎缺陷基因1579(EMB1579)的研究进展。该基因由于其突变体在根部表现出的特殊表型又被称为盐胁迫培养基短根基因(RSA1)。研究显示，EMB1579编码一个包含钙离子结合域的核蛋白，通过液-液相分离的方式调控基因转录和mRNA剪接并调节根生长。由此，EMB1579通过调控WOX、PLT、RBR等干细胞调节因子来参与对PLT-SCR-SHR模型的调节。同时，EMB1579还是JAZ蛋白复合体的组分之一，参与损伤响应。此外，Blilou教授还介绍了他们开发的植物根系表型活细胞成像平台，推动了植物表型研究效率的提升[16]。

光刺激介导植物维管组织的形成与发育。植物萌发后，光启动植物光合作用从而介导光自养生长的建成。因此，光信号传导和维管发育之间必定存在联系，但连接这两者之间的分子机制仍有待突破。英国杜伦大学生物学院Miguel de-Lucas博士研究发现，由CLE41和CLE44编码的TDIF多肽可以激活PXY/TDR受体，从而维持形成层细胞的增殖能力，抑制其分化；TDIF-PXY/TDR信号通路是精确调控形成层分生组织中细胞增殖和分化平衡的核心；黑暗介导的PIFs积累对CLE44的诱导和维持维管的未分化状态是必需的；在光照环境下，光感受器使PIF失活，从而导致CLE44表达量下降，随后TDIF减少，PXY/TDR信号通路减少，便诱导木质部的分化，以满足与光自养发育相关的水分需求。他们的研究揭示了光信号转导介导植物维管发育分子机制。

3 植物干细胞与再生在经济作物、粮食作物与药用植物中的应用研究报告

有关植物科学干细胞的基础研究为作物遗传改良提供了策略，大大提升了不同作物的生产与品种改良效率。同时，在不同物种中开展干细胞研究也通过物种多样性发掘出更多潜在的干细胞维持与命运决定的调控通路。

植物的遗传转化与再生已经被广泛应用于不同作物的品种优化。新西兰植物食品研究所高级科学家姚家龙博士就是利用这一手段获得了高转化效率的苹果株系。BABYBOOM(BBM)是AP2家族的成员，其异位表达已被证明可以促进草本植物的转化和再生。姚家龙博士通过异位表达苹果MdBBM1基因显著促进苹果植株的再生。研究表明MdBBM1异位表达增强了细胞分裂。转录组分析结果也显示，MdBBM1转基因植株中与生长素、细胞分裂素和油菜素内酯等植物激素信号通路相关的细胞分裂激活因子转录水平增加，阻遏因子的转录则降低。对MdBBM1转基因株系再次进行遗传转化，转入除草剂抗性基因，结果显示有3个转基因株系的遗传转化效率提升了十倍以上。该研究结果为克服苹果和其他树木生产转基因植物的障碍提供了解决方案[17]。通过遗传转化获得高转化效率植株的方式在小麦中也被应用。中国农业科学院作物科学研究所叶兴国教授团队2014年从日本烟草公司(Japan Tobacco International，JPI)学习了用未成熟胚胎转化小麦的技术。但该技术依赖于基因型，限制了目前通过转基因整合和基因组编辑的方法改良小麦的能力。叶兴国教授团队发现，与其他方法相比，小麦基因TaWOX5的过表达能够显著提高转化效率，且基因型依赖性较低。TaWOX5在小麦愈伤组织中的表达并不抑制茎部的分化和根的发育。此外，成功转化的转基因小麦植株可以由可见表型相对更宽的旗叶清楚识别。TaWOX5的应用改进了小麦未成熟胚的转化和再生体系。利用TaWOX5提高转化效率的方法在一粒小麦(Triticummonococcum)、小黑麦和黑麦中也显示出良好的效果[18]。

干细胞活性的维持对人参根器官的长寿至关重要。中国中医科学院中药资源中心的刘娟博士介绍了她对人参再生与长寿机制的研究。野生人参中人参皂苷的含量高于栽培人参，且可在自然条件下存活数十年，受到生物胁迫时其容易再生不定根。人参皂苷处理实验表明，不同浓度人参皂苷可以影响人参不定根分枝和细胞增殖。PgWOXs随皂苷处理变化，从人参不定根中鉴定出的蛋白PgCLE45也受到PgWOX11的直接调控。PgWOX11在不定根中诱导PgCLE45的表达，而PgCLE45抑制PgWOX11的表达。人参皂苷中发现的PgCLE45-PgWOX11调控环是调控不定根分枝的一种新的潜在机制[19]。

木本植物的地上结构很大程度上依赖于茎分生组织的细胞活性。柑橘属植物的腋生分生组织可以发育为枝条、刺和花，柑橘腋生分生组织的命运决定影响着柑橘的产量。近些年，华中农业大学张飞教授的研究表明，柑橘中枝条分生组织、刺分生组织和花分生组织的关键调控因子在各自的表达域上相互拮抗。他分析了柑橘属刺分生组织与枝条分生组织之间身份转换的CEN-TI1-WUS模型：转录因子WUS是维持枝条分生组织的重要因子，TI1通过抑制WUS在腋生分生组织的表达终止枝条的生长，从而形成刺[20]；CEN基因则可以通过抑制TI1将腋生分生组织的细胞命运转变为枝条分生组织[21]。此外，过表达FT转录因子可以部分将自分生组织诱导为花分生组织。显然，这些关键调控因子的基因调控导致了茎部身份的转换。张飞教授还提出是这些因素的拮抗作用介导了腋生分生组织细胞命运的决定模式，从而形成柑橘树的分枝结构。

表观遗传修饰在茎尖干细胞活性维持与分化中起着重要作用，华中农业大学王文韬博士介绍了他有关组蛋白甲基化修饰调控水稻茎尖发育的研究。在茎尖分生组织中，KNOX/BELL转录因子是分生组织细胞多能性和分化的关键调控因子。PRC2介导H3K27me3组蛋白修饰。王文韬博士发现PACP在正向调控PRC2核心成分EMF2b的染色体结合能力的同时，可以与水稻KNOX1发生互作。KNOX/BELL转录因子靶向结合到基因上后，PACP介导PRC2在该位点的招募并稳定结合，从而维持H3K27me3修饰和下游基因的转录抑制[22]。该研究为PRC2对H3K27me3的维持以及KNOX/BELL蛋白调控茎尖分生组织发育的机制提供了新见解。

4 结语

在基础研究领域，会议报道了包含干细胞因子、组蛋白修饰与自噬作用的干细胞形成调控网络；DNA损伤诱导干细胞形成；ABA信号通路与干细胞命运决定；组织培养细胞谱系与原生质体再生的随机选择模型；RSCN干细胞活性维持的调控回路；不定根分支调控机制；光信号转导介导植物维管发育分子机制；柑橘腋分生组织细胞命运决定调控机制；表观遗传修饰调控水稻茎尖干细胞活性维持与分化的分子机制。在多个方面为干细胞再生用于植物生产与应用提供理论支持。在应用上，报道了再生相关基因提高苹果、小麦等转基因植株的转化效率，提高柑橘愈伤组织的生胚能力的技术性突破。展现了植物干细胞与再生研究对植物生产与应用的促进作用。

来自14个国家和地区的300余名学者通过线上参加了本次会议。会议期间，参会者与报告专家讨论热烈，报告与提问精彩纷呈。墨西哥生物多样性基因组学国家实验室Luis Alfredo Cruz Ramirez教授在闭幕辞中指出，本次研讨会推动了植物干细胞与再生领域的发展，在后疫情时代为国际同行们开展深度交流与合作提供了宝贵机会。

该研讨会由华中农业大学生命科学技术学院陈春丽教授在全球范围内首次发起，会议期间成立了植物干细胞国际组委会，专家分别来自中国、美国、英国、日本、沙特与墨西哥。组委员确定了2023年植物干细胞研究国际研讨会将在沙特阿卜杜拉国王科技大学举行，后期将持续推动国内外植物干细胞研究群体的沟通和交流。