“植物干细胞两大基因“星星”相“吸””

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植物干细胞研究不仅是植物发育生物学的核心研究命题，也是作物分子遗传改良和植物生物技术产业化的重要基础。 stm和wus是调控植物干细胞发育的两个明星基因。

自山东农业大学教授张宪省团队首次发现stm蛋白与wus蛋白之间可能存在直接的相互作用以来，已经整整八年了。 8月25日，美国《国家科学院刊》在线发表了该队植物茎端分生组织发育调控机制的相关成果。 他们首次明确了wus、stm、clv3三个重要因子之间的精细相互作用模式，分析了wus和stm介导的干细胞形成和调控途径的交叉与协同，为进一步分解植物茎端分生组织干细胞活性的调控机制提供了新思路。

“模糊”的明星基因

植物干细胞是具有自我更新能力，不断产生各种分化细胞的原始细胞群，主要是位于根尖和茎尖的分生组织和形成层，大部分植物细胞来源于干细胞。 干细胞在植物生命周期中维持自身的多功能状态，调控着植物的生长、发育。

“植物的茎端干细胞决定茎、叶、花、果实等地上部分器官的分化和发育，是所有地上部分器官细胞的来源，研究其调控机制对解析植物器官的分化有重要作用。 ”论文通讯的作者张宪省说。

20多年来，学术界对wus和stm蛋白如何调节clv3转录和干细胞活性维持的现象有一定的认识，但它们如何相互作用调控干细胞的命运尚不清楚。

1995年发现的clv3基因是干细胞的特征基因。 利用它作为标记，可以区分茎端分生组织中的干细胞和非干细胞。

1996年首次报道的stm蛋白是干细胞重要的活化和维持因子，其功能主要是维持干细胞的未分化状态，抑制其分化产生各种器官的细胞。 stm过量表达可明显增加植物茎端干细胞数量。

并且，作为调控植物茎端干细胞的核心因子，wus蛋白于1998年首次报道，其功能和调控机制的研究一直是植物干细胞行业的热点。

论文共同第一作者、山东农业大学教授苏英华在《中国科学报》上发现，前人的研究表明，wus基因能编码分生组织中的重要调控因子，激活干细胞特征基因clv3在干细胞中的表达，并赋予这些干细胞特征。

2002年，出现了3篇关于wus的重要论文，其结论反而扰乱了wus的调节机制。 这三篇论文都从表型水平探讨了以wus为核心的干细胞的发育过程，但第一篇论文发现wus蛋白和stm蛋白之间存在互补关系，第二篇论文发现两者各有两个协同关系。

限于当时的研究水平，科学家们没有从分子机制中回答发生这种矛盾现象的原因。

论文共同第一作者周超随后介绍说，关于wus如何与其他因子相互作用控制互联网，共同激活和维持干细胞的研究并不多见。 如上所述，许多科学家认为通过stm的干细胞调控途径和通过wus的途径有相互独立或互补的作用，但没有报告称stm和wus有直接的相互作用。

核心基因并不孤独

在自然条件下，已经成熟的叶子和根再生新的小芽，形成新的植株并不容易。 但是，如果人为提高wus基因的表达量，已经发育成熟的叶子会长出新芽。

“这说明wus是激活植物干细胞发育的重要因子，它是中心因子。 围绕着它，其他重要因素一定在相互作用。 ’张宪认为，要弄清植物干细胞的发育过程，有必要深入研究wus蛋白及其相互作用因子。

随着生物科学实验技术的迅速发展，年，张宪省团队开始筛选与wus相互作用的直接相互作用蛋白质。

苏英华指出，利用模式植物拟南芥，他们利用当时最新的co-ip结合蛋白谱筛选相互作用蛋白的实验技术，可以鉴定新的wus相互作用因子及其调控茎端干细胞活性的遗传途径和分子机制

年9月的一天，苏英华和周超在众多候选因子中首次筛选出了stm，让他们兴奋不已。 “当时我认为，如果能够解析两个重要的调控因子的相互作用，就可以将两个重要的调控路径结合在一起，应该能更好地解释干细胞的发育机制。 ”

苏英华很快告诉了张宪省这个相互作用蛋白质筛选实验的结果。 “首先进行stm和wus的相互关系的研究。 ”张宪省说。

但是，要解释这个假设并不容易。 年，一位科学家发现，wus可以在植物体内移动，浓度过高时会自行分解。 这种不稳定的状态使科学家难以在植物体内提取wus蛋白质。

张宪注意到，这是他们工作难以进展的原因之一。 随后，他们团队精细获得茎端分生组织细胞，优化提取纯化wus蛋白的方法，获得较为稳定的带标记的wus蛋白，最终筛选出数十个可能与wus蛋白相互作用的因子。

三大因子“携手前进”

利用各种遗传和生化实验，这个团队证实了stm作为wus相互作用蛋白质的机理。 wus蛋白质可以与stm直接相互作用形成杂合物，结合成下游基因clv3的启动子。 该二聚体可进一步增强与clv3启动子的结合强度，活化其表达，增强茎端干细胞的活性。

“在这个过程中，wus扮演‘主角’，可以直接激活stm的表现； stm被激活后，与wus结合起干细胞增效作用。 ”苏英华说。

这个机制的解释也很好地解释了18年前科学家发现的矛盾的wus和stm的相互作用的效果。

张宪说，首次从分子水平解析了茎端干细胞激活因子和增效因子相互依赖的作用模式，处理了植物学家多年来对植物干细胞调控的诸多疑问，填补了近20年来干细胞调控行业关键因子之间相互关系的空小白。

张宪报道《中国科学报》指出，3个重要因子之间的精细相互作用模式对实现茎端分生组织内干细胞的动态平衡具有特殊意义。 这为控制茎端干细胞的发育提供了一个新的理论，即多能干细胞控制因子在茎端分生组织中形成了控制干细胞稳定状态的精细调节单位，活化因子wus和增效因子stm在分子水平上相互依赖。

通过提高作物茎端干细胞活化因子wus的表达水平，可以提高茎端干细胞的活性，增加干细胞数量，进而形成作物越来越多的分枝，增加花的数量，产生越来越多的籽粒。

“该成果有望应用于林木、玉米、小麦等大田作物，对调控植物生长、加速植物快速繁殖、提高植物再生能力、推动农业生物技术产业快速发展具有潜在的重要作用。 》中国科学院院士种康作了如下评价。 (李晨) )