植物基因与茎尖分生组织的形成与维持课件.ppt

1、p 植物茎尖结构p 基因调控机制一、植物茎尖结构（1）茎尖分生组织（SAM）的细胞层（分层）原体原套原形成层皮层（2）SAM的分区 Central zone:由一群未分化并能自我更新的由一群未分化并能自我更新的细胞组成；细胞组成；Peripheral zone:由位于分生组织侧翼的一由位于分生组织侧翼的一群迅速分裂的原始细胞组成，产生器官；群迅速分裂的原始细胞组成，产生器官；Rib meristem:肋状分生组织区，位于中央区位于中央区下方，它们的分裂和伸长导致茎的延伸；下方，它们的分裂和伸长导致茎的延伸；在茎端分生组织的中心区域有一群分裂速度较慢的茎尖干细胞，分裂产生两部分细胞，一部分称干细

2、胞后裔，它们留在原来的位置，保持着多潜能性：另一部分称子细胞，它们最终会进入周边区域，在那里保持较快的分裂速度，可以分化成为器官原基。SAM茎尖干细胞干细胞后裔子细胞器官原基在茎端分生组织的各个部分之间的细胞分裂信号可以相互传递，某个部分的细胞数量变化会相应地改变其他部分细胞的分裂速度，以保证整个分生组织具有正常的结构。由此可见，SAM 是不断改变的动态结构，干细胞群的维持依赖于周围组织细胞提供的各种外源性和内源性信号分子。（3）茎尖细胞的位置效应 茎端分生组织的各种实验研究表明，无论是茎端分生组织发生叶或侧芽等器官都是由位置效应位置效应决定的。将茎端最顶端的分生组织用针破坏后，会在原位再生出

3、类似的分生组织，恢复原来的结构。如将周围组织统统切除，只留下最顶端一块分生组织，则该组织可很快发育成为完整的顶端分生组织结构。将顶端分生组织沿中央线一分为二，两部分会分别再生出新的顶端分生组织结构。将茎端分生组织挖出，放在营养培养基上培养，它不再按照茎端分生组织的活动方式活动，而是会发育成完整植株。以上实验，充分说明了是位置效应决定了细胞的分化方向，而不是顶端分生组织中各细胞预决定的。二、基因调控机制 在茎端分生组织中存在着由多种基因编码的蛋白组成的信号调节通路，保证分生组织的正常发育，实现干细胞在自我更新和产生分化细胞之间的平衡。最早分离出来的与茎尖发育有关的基因是STM(SHOOT MER

4、ISTEMLESS，无茎尖分生组织），其突变体最明显的特点就是萌发后茎尖生长异常，没有正常的幼叶。1.STM基因没有没有SAM和真叶产生和真叶产生有有SAM和真叶产生和真叶产生拟南芥中的stm 是一种功能丧失突变，拟南芥的这种无分生组织的突变体正是该基因功能丧失的结果。Long等（1996)克隆了拟南芥的STM 基因，并通过表达分析证明它具有在胚胎发生时形成茎尖分生组织（SAM）的功能。ST M 是第一个在形态和分子水平上证明对植物胚胎发育特定模式的形成起决定作用的基因，也可以说是第一个功能已知的同源盒基因由拟南芥菜克隆的STM基因及其推导的编码蛋白的氨基酸序列说明STM基因是编码Homeod

5、omain类的KN（KNOXI）基因家族的一员，很可能是通过转录调控而影响SAM的形成。STM基因在整个发育过程中涉及茎端分生组织的结构建成。STM基因在维持SAM中央区域细胞处于未分化状态具有重要的作用。后来人们发现在维持茎端分生组织结构和功能中起重要作用的还有WUS、CLV和CUC基因等。其中，STM基因作用于WUS和CLV基因的上游。2.WUS基因l WUS突变体不能形成具有正常功能的茎端分生组织，它一般在产生第一对真叶之后就过早地终止器官发生。l 在茎端分生组织中，WUS的存在能促使其中的干细胞保持未分化的状态，并维持茎端分生组织的结构和功能的完整。功能与STM相似。l WUS基因的异

6、位表达导致异位干细胞的形成并抑制分化，表明WUS必须受到严格的调控以维持干细胞的正确位置和数量。植物生理与分子生物学学报,2005,31(5):461-468植物干细胞决定基因WUS的研究进展 徐云远，种康摘要：WUS(WUSCHEL)基因编码一转录因子，它的存在使周围细胞具有干细胞的特征，与之相关的信号系统近年逐步被阐明。在茎尖分生组织内WUS 和CLV(CLAVATA)之间形成一个反馈调节环，使得干细胞保持自我更新，维持茎尖的顶端优势。在胚胎分生组织内，CLV3 的表达只依赖于WUS 的存在，然而在胚以后的发育中，C L V 3 的表达受到WUS 和S T M的双重调节，启动器官发生。在花

7、分生组织中，WUS 和LFY(LEAFY)共同激活AG(AGAMOUS)基因的表达，WUS 受AG的反馈抑制。由WUS 建立的信号体系还参与胚珠的发育。细胞对WUS 信号的感应性与细胞所处的微环境有关，WUS 在不同环境条件下可以启动不同的下游基因表达。WUS is a transcriptional regulator.WUS is expressed in a small group of central cells underneath the L3 of the shoot meristem.Mutant wus result in premature termination of v

8、egetative meristem.The mutant apex organization was aberrant（异常的）,no histological（组织学的）differences between central and peripheral regions within the apex were evident.Mutant:A,C,E,GWT:B,D,F,HwusWT（摘自徐云远和种康，2005）WUS启动子包含多个调控区域，它们控制着该基因转录的组织特异性及转录水平。其中在转录起始位点上游550 bp处有一个长度为57 bp的区域。它的存在会维持WUS在茎端分生组织中的

9、正常时空表达模式。但WUS抑制干细胞的分化的机制是什么?WUS编码一种由291个氨基酸组成的同源异型结构域蛋白。同源异型结构域蛋白存在于多种生物中，通常参与发育过程和细胞类型的决定。典型的同源异型结构域是含有60个氨基酸的保守蛋白质区域，具有螺旋一环状一螺旋一转角一螺旋结构，和DNA序列特异性结合。研究发现，WUS在C末端存在3个保守的短序列：1个酸性区域、1个WUS框和1个EAR类区域。酸性区域具有转录激活的功能，WUS框的功能尚不清楚，EAR类区域参与转录抑制过程。EAR基序富含亮氨酸，具有双亲性,是赋予转录因子抑制功能的一段保守序列。EAR型转录抑制子是含有EAR基序，并为植物特有的一类

10、转录抑制子，它普遍存在于多种蛋白家族中，参与生物和非生物逆境胁迫响应、编程性和过敏性死亡、胚胎发生、器官发育和老化等多个过程的调控。EAR 型转录抑制子是一类主动转录抑制子，可以通过染色质修饰，激活子调节等途径实现对下游基因的抑制，进而实现生物学功能的正向调控或负向调控。在茎端分生组织中存在2个和WUS相互作用的蛋白WSIP1和WSIP2，两者均是拟南芥转录辅阻遏蛋白家族的成员，通过WUS保守的C末端区域与之相互结合。WUS通过和这些转录共阻遏物结合共同抑制参与干细胞分化过程中的基因表达，因而干细胞能保持其多能性的特征。此外，WUS在转录过程中还受SYD的调控，SYD是一种染色质重构ATP酶，

11、这类酶能够促进基因的顺式调控区域和转录因子的结合。因此，SYD对WUS在干细胞组织中心的表达起正调控作用，从而引起WUS的高水平表达。这种作用是维持茎端分生组织中干细胞特征所必需的。3.CLV基因 因此，从表型性状推测，在野生型植株中CLV的功能是限制分生区干细胞增殖，CLV基因的作用与STM和WUS相反，对SAM的中央区域细胞的未分化状态这一特征起负调控作用。WUS在茎端分生组织内的干细胞组织中心表达，使细胞维持干细胞特性，这些干细胞通过分裂，将部分子细胞推入周边区域形成器官原基，同时维系自身的存在。在这个过程中，CLV(CLVl、CLV2、CLV3)基因起调节作用，它们发生突变时所产生的表

12、型十分相似：茎端分生组织中积累大量的干细胞并由此导致产生膨大的分生组织。顶面观侧面观WTclv3 CLV1 protein encoded by CLV1 gene functions as a receptor kinase.The extracellular domain is composed almost exclusively of LRRs(Leucin-rich repeat),which are known to be involved in protein-protein interactions.The intracellular domain coded by CLV1

13、contains all of the conserved residues found among serine/threonine protein kinases.CLV1 is expressed in a patch of cells in the L3 layer and OC zone of the meristem.It is NOT expressed in the L1 layer In the most central region,CLV1 also be expressed in the L2 layer.CLV2 encodes a LRR-receptor-like

14、 transmembrane protein without any cytoplasmic signaling domain and lacks a kinase domain.CLV2 is required for CLV1 protein accumulation.CLV2 expressed in L1,L2,L3.Possible roles for CLV2 are as a heterodimer partner for CLV1 to detect extracellular signals within the shoot meristem CLV3 is expresse

15、d in L1 and L2 layer.CLV3 and CLV1 temporal expression patterns are very similar.CLV3 is a soluble protein contains a signal peptide to direct the protein into the secretory pathway.CLV3属于CLE家族基因，这个家族成员的共同特征是在C末端存在着由14个氨基酸组成的保守的基本序列，称为CLV3/ESR(CLE)基序。ESR是玉米胚胎附近胚乳区域的一个CLE基因。CLV3编码的蛋白由96个氨基酸组成，该蛋白在N末端

16、具有一个长度为18个氨基酸的分泌肽信号序列。经过加工后产生一个可以迁移的含12个氨基酸的多肽激素。CLV3是干细胞分泌的小分子多肽，作为配体与CLV1一CLV2(在干细胞之下表达)组成的受体复合体相互作用。激活CLV复合体启动下游信号事件，导致WUS表达区域受到限制。具体过程为：CLV3原初蛋白被分泌到胞外,经过一个剪切和羟基化修饰的过程,产生一个可以迁移的含12个氨基酸的多肽激素。CLV1为含亮氨酸重复区的受体激酶蛋白(LRR-RLK),CLV2为含亮氨酸重复区的类受体蛋白(LRR-RLP)。它们通过二硫键形成异二聚体复合体。该复合体在接受CLV3 多肽信号之后形成一个更大分子量的受体复合体

17、(450 kD),包括一个磷酸酶(KAPP)和一个GTP 酶(ROP)。该信号很可能是通过MAP 激酶传到核内,来抑制WUS 转录因子的表达。G蛋白CLV 信号复合体与WUS转录因子构成的控制茎端生长点中干细胞数目的反馈调节环 研究表明，CLV表达区域位于WUS之上。WUS是CLV负控信号的重要靶基因。然而，诱导WUS基因异位表达却能促进CLV3基因转录，说明WUS和CLV组成了一 个反馈调节环。4.CLV 和WUS的关系 当干细胞后裔脱离干细胞区域，成为器官原基的一部分后，干细胞数量减少引起CLV3信号水平降低。负控信号水平降低引起WUS表达区域扩展，通过这个正调控途径使干细胞数量增加。干细

18、胞数量增加到一定程度时反馈激活CLV3信号表达，限制WUS表达区域进一步扩大，保持干细胞数量的恒定。反馈调节环如何工作？将35S:CLV3转入clv1和clv2时，尽管CLV3能够高水平表达，但仍具有与clv类似的表型，这说明CLV3信号转导需要CLV1和CLV2的参与。综上所述，在茎端分生组织中，干细胞的自我更新和分化细胞产生之间平衡的维持有赖于WUS与CLV间的反馈调节信号通路的运行。WUS在干细胞组织中心表达,决定该位置的细胞成为干细胞，并能诱导干细胞特征基因CLV3在分生组织中央区域的顶部表达。CLV1在WUS表达区域的上方表达，它编码一个受体蛋白激酶；CLV2编码一个缺少激酶域的受体

19、类似的蛋白；CLV3编码一个分泌型蛋白，它在分生组织顶端的干细胞中产生之后激活CLV1CLV2复合物，并通过信号级联转导而抑制WUS的表达。CLV3信号增强会快速抑制WUS的表达，并伴随着WUS信号的减弱，分生组织生长受限，周边分生组织细胞转换为器官原基，干细胞数目减少并导致抑制WUS的CLV3信号减弱。WUS高效表达而引起CZ区域的增大，干细胞数目增多；随着WUS信号的不断增强，干细胞产生的CLV3信号也随之增强，进而抑制WUS表达，干细胞数目随之减少。正是通过这样一种反馈调节机制，维持分生组织CZ的大小和干细胞数目的稳定，致使分生组织具有正常的生理功能。ROP为小G蛋白KAPP为激酶相关的

20、蛋白蛋白磷酸酶 What would happen if Clv express too much?在分生组织中WUS 和STM有着明显不同的分工。Lenhard 等(2002)实验表明，不论是否有STM，WUS 都让分生组织膨大，抑制真叶的启动；不论是否有WUS，STM 都抑制分化、促进分裂；STM 不能补偿WUS 的缺失，WUS 却能够部分补偿STM的缺失。这些结果表明，在分生组织内WUS和STM的功能是互相独立的。借助CLV3:GUS 显色反应的有无可以检测CLV3 基因的表达与否，Brand 等(2002)观察到，在wus 胚胎的分生组织中无阳性反应；在幼苗期，wus 分生组织中出现G

21、US 活性，stm 的分生组织中GUS活性明显下降。表明在胚胎中WUS是CLV3 的唯一激活因子，在胚胎以外的组织(比如下胚轴、真叶、幼苗分生组织)WUS 和STM一起激活CLV3 的表达。5.WUS与STM的关系6.CUC（C U P-S H A P E D COTYLEDONE）基因CUC属于NAC基因家族,编码一类转录因子,最主要的结构特点是各成员的N端含有高度保守的NAC结构域。NAC结构域由高度保守的大约150个氨基酸残基组成，该区域可以结合DNA。CUC功能是建立和维持茎端分生组织细胞与子叶原基细胞之间的界限(Takada et al.,2001),该基因也参与叶腋特性和侧生分生组

22、织的发育。拟南芥的CUC 在茎秆发育过程中不但决定SAM与发育器官的边界,保证各器官发育的独立性,而且作为转录因子编码基因,决定SAM 的发育方向,它的突变会抑制次生器官的形成(Vroemen et al.,2003)。CUC的表达受其它基因调节,例如,生长素转运蛋白基因PIN1与PID(Glweiler etal.,1998)和STM基因就可抑制CUC的表达(Takada et al.,2001);miRNA164也通过与CUC 序列结合而抑制其表达。还有一些基因促进CUC 的表达。CLV反馈环可能并不是调控WUS的唯一途径，因为在低于或高于3倍正常CLV3水平的条件下，茎端分生组织仍处于正常状态。例如：ULT(超级花瓣Ultra petala）)以及HDZIPIII(ClassIII homeodomain-leucinezipper)基因CNA、PHB、PHV能够限定WUS的表达区域，而HDZIPIII基因的表达又受miRNAl65166的调控。染色质重塑因子SYD能够直接激活WUS在其正常区域内表达，同时又能抑制WUS在其正常区域外表达。在分生组织中，维持细胞分裂的STIP是WUS表达所必需的。目前茎尖的研究焦点是WUS和CLV，然而总结总结