植物发育生物学：维管束分化机理及影响因素

2023-11-20 理论教育版权反馈

【摘要】：无论在哪种组织，维管束分化机理都有相似性。在维管束分化过程中，生长素、油菜类甾醇、细胞分裂素起着关键作用。影响这些激素合成和运输的因子都影响维管束的分化。在拟南芥的胚、茎顶端和根顶端分生组织细胞类型分化中，一个NO VEIN基因的突变使植物各部分的多方面发育受到影响。皮层表达的小分子RNA165、RNA166移动到维管束中，抑制HD-ZipⅢ的表达，促进维管束的分化。

无论在哪种组织，维管束分化机理都有相似性。在维管束分化过程中，生长素、油菜类甾醇、细胞分裂素起着关键作用。影响这些激素合成和运输的因子都影响维管束的分化（见第二章）。

在拟南芥的胚、茎顶端和根顶端分生组织细胞类型分化中，一个NO VEIN（NOV）基因的突变使植物各部分的多方面发育受到影响。NOV基因编码植物专一的核定位因子，影响叶维管束分化、子叶长出和分离、茎和根顶端分生组织干细胞的保持和类型形成。NOV影响一系列生长素运出载体的表达，如原生维管束中PIN1的表达、叶原基专一分布的PIN7、根中细胞类型专一分布的PIN3、PIN4、PIN7和根皮层中极性分布的PIN2的表达，都受到NOV的调控（Tsugeki et al.，2009）。

第三类同源盒锌指类调控因子（homeobox leucine-zipper protein，HD-ZipⅢ））在维管束分化和极性类型的形成过程中起重要作用。这类转录因子有PHABULOSA（PHB）、PHAVOLUTA（PHV）、REVOLUTA（REV）、CORONA（CNA）。它们在胚发生过程中就已经表达，在两侧对称和中心-周围轴的建立中起决定作用（Izhaki and Bowman，2007；Ohashi-Ito and Fukuda，2003；Green et al.，2005）。GRAP转录因子家族的KANADI（KAN1～KAN4）的表达类型与HD-ZipⅢ类基因互补（图8.12）（Hawker and Bowman，2004），它们也是通过影响PIN1的极性分布影响维管束分化（Izhaki and Bowman，2007）。最近发现一组类似的小分子拉链蛋白与HD-ZipⅢ蛋白结构相似，与之形成异源二聚体，负调控HD-ZipⅢ的转录因子作用，HD-ZipⅢ正调控这类基因的表达，它们之间形成一个负反馈调控循环（Wenke et al.，2007）。皮层表达的小分子RNA165、RNA166移动到维管束中，抑制HD-ZipⅢ的表达，促进维管束的分化。VASCULAR RELATED NAC-DOMAIN PROTEIN6（VND6）和VND7分别影响次生木质部和初生木质部分化（Petricka，et al.，2012）。

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图8.12　KAN类基因和HD-ZIPIII类基因在根中的表达分布（Hawker and Bowman，2004，ⓒASPB）

wooden leg（wol）突变体中，原生木质部是维管柱中的唯一组织。正常韧皮部和原形成层通过起始细胞不等分裂形成，这些分裂需要WOODEN LEG（WOL）/AHK4、AHK2、AHK3基因。WOL基因编码一个双组分组氨酸激酶基因，是细胞分裂素受体，在胚发生早期在维管组织中表达（图8.13）（Mähönen et al.，2000；Iyer-Pascuzzi and Benfey，2009）。细胞分裂素信号转导中间体AHP6对韧皮部和次生木质部发育都是必需的（Petricka，et al.，2012）。

一个韧皮部分化必需的基因Altered Phleom Development（APL）编码线圈MYB类型的转录因子，通过在早期抑制木质部的分化促进韧皮部形成（Bonke et al.，2003）。多细胞生物中普遍表达的转录因子BREVIS RADIX（BRX）在根尖生长区域中调控细胞繁殖和延长，定量影响根的长度（Mouchel et al.，2004）。

LONESOME HIGHWAY（LHW）是basic helix-loop helix（bHLH）转录因子，在根分生组织细胞核中分布，控制维管束中各类细胞的数目，从而控制维管束的数目和极性。Lhw突变体维管束由野生型的两束变为一束，失去双向对称性（Ohashi-Ito and Bergmann，2007）。

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图8.13　WOL基因在根中的表达分布（Mähönen et al.，2000）（严海燕绘）

对根-下胚轴次生微管组织的转录组研究揭示了一批与木质部和韧皮部分化相关的基因（Zhao et al.，2005）。表8.1是维管组织中六类部位基因表达类型分布情况。

表8.1　拟南芥根-下胚轴次生维管束基因表达类型分布（%（基因个数））

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续表(www.chuimin.cn)

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黑体表示表达量最高的类别。

可以看出，木质部表达量最高的基因类别是细胞壁合成、细胞通讯和运输类的基因，韧皮部和形成层表达量最高的基因类别是防御凋亡和细胞通讯。一些基因特异表达在木质部和韧皮部，可以分别作为木质部和韧皮部的标志基因（Zhao et al.，2005）。

木质部标记基因与管状分子次生壁的合成有关，如木质部纤维素合成酶基因（Xylem cellulose synthase，CesA）：IRX1（CesA8，At4g18780）、IRX3（CesA7，At5g17420）和IRX5（CesA4，At5g44030）在木质部导管中共表达（Gardiner et al.，2003）。XCP1和XCP2是两种拟南芥半胱氨酸-丝氨酸蛋白酶，同百日草属植物鱼尾菊Zinnia螺纹导管（TE）蛋白酶p4817（Ye and Varner，1996；Beers et al.，2004）相似度最高，XCP1已经被定位于拟南芥螺纹导管中（Funk et al.，2002）。

韧皮部标记的可靠基因有：韧皮部伴胞可靠标记基因是蔗糖质子同向转运（Symporter）SUC2（At1g22710；Stadler and Sauer，1996）、质膜质子泵（H＋-ATPase）、AHA3（At5g57350；DeWitt and Sussman，1995）。韧皮部筛管标记基因是拟南芥限制烟草etch病毒长距离移动的蛋白RTM1（At1g05760）（Chisholm et al.，2001），和韧皮部G2类转录因子，SE分化所需的APL（At1g79430）（Bonke et al.，2003）。

非维管组织标记的基因有：NRT1.1/CHL1和NRT2.1（At1g08090）是硝酸盐转运蛋白（nitrate transporters）。NRT1.1表达在成熟叶片保卫细胞和胚轴中，NRT2.1启动子葡糖醛酸糖苷酶（β-glucuronidase）（GUS）在中柱外所有细胞表达（Zhao et al.，2005）。

转录组学分析在木质部特异上调表达的转录因子有五个HD ZIP类基因ATHB8、ATHB9/PHV、ATHB14/PHB、ATHB15、REV/IFL1，六个含NAC区域的基因ANAC005、ANAC012、ANAC043、ANAC073、ANAC104/XND1，六个R2R3 MYB类基因MYB103、MYB69、MYB52、MYB48、MYB46、MYB20（Zhao et al.，2005）。在韧皮部上调表达有三个G2类转录调控因子APL、At3g12730、MYR1，一个AP2类的基因ANT，三个DOF转录因子At2g28810、At5g62940、At1g07640/OBP2，CLV信号分子CLE6/CLV3、CLE26/CLV3和受体CLV1、CLV1类受体At4g20270（Zhao et al.，2005）。两种KANADI转录因子KAN2、KAN3在韧皮部和非维管组织中都表达，一种脂转移蛋白XYP1表达类型与KAN2类似（Zhao et al.，2005）。而与激素信号传导有关的几个基因在维管束中各部位特异性不强，与维管束类型建立有关，这些基因是细胞分裂素受体AHK4/WOL/CRE1、与甾醇有关的CVP1（S-Adenosyl-Met-sterol-C-methyltransferase）、FK（C-14 sterol reductase），与生长素分布和反应有关的GNOM/EMB30、MP/IAA24、PIN1（Zhao et al.，2005）。其中几个基因的表达和分布见图8.14（Zhao et al.，2005）。

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A，由CLV1启动子GFP表达位于形成层和次生韧皮部。A，小框内，野生型次生韧皮部对照没有绿色荧光。G2类转录因子MYR1驱动GUS活性在根的次生韧皮部表达，B花序茎，C，D和E，MYR1启动子驱动的GUS活性也在叶的维管组织中探测到（D）。通过中脉横切片（E），主要在维管束韧皮部面的远轴（abaxial）端分布。F，木质部偏好基因ZFWD1启动子驱动的GUS活性被限制在维管束组织。G，F小框内高放大倍数的区域，箭头显示ZFWD1p：：GUS表达与木质部细胞相关。H，XND1/ANAC104启动子驱动GUS活性在8周大植物根表皮下可见，小框内可见该基因在次生木质部中两个相邻导管的表达分离（成熟导管GUS－不显色，未成熟GUS显色）。I，XND1p：：GUS在枝中的表达限制在老化的叶子，围绕成熟木质部细胞和中脉未成熟导管的表达很明显（箭头）。J，XND1p：：GUS表达在幼苗根初生组织被限制在相邻于成熟初生木质部的螺纹导管。K，枯草杆菌蛋白酶类丝氨酸蛋白酶At1g20160主要定位于围绕成熟导管（箭头）的木质部细胞和近轴中脉。L，At1g20160：：GFP在叶中的表达。

维管组织中存在细胞分裂、分化、延长的活动，与顶端分生组织单纯的分裂不同，有特化的次生代谢活动。因此在此表达的基因类型反映了它们的相应功能。CLV1在茎和花顶端限制未分化组织的大小，在根-胚轴中是韧皮部表达较多的基因。在顶端分生组织CLV1与其类似蛋白CLV2（At1g65380；Jeong et al.，1999）结合，形成异源二聚体，共同与小分子信号配体CLV3（At2g27250）结合。在根-胚轴中CLV2低表达，却有CLV1类似基因At4g20270的表达。CLV3没有表达，却有两个CLV3类似的CLE26（At1g69970）、CLE6（At2g31085）在韧皮部偏好表达（Zhao et al.，2005）。形成层是维管组织中的分生组织，分生组织活性正调控基因ANT也是韧皮部表达较多的基因，白杨形成层表达的极性基因PttANT和PttCLV1中在拟南芥的类似基因是ANT（At4g37750）和CLV1（At1g75820）。因此推测拟南芥ANT和CLV1基因同白杨的类似基因一样，类似在顶端分生组织的表现，一些组织间高表达的基因可能对相邻组织起着负调控的作用。

白杨aspen的α-expansin PttEXP1是形成层（Cambium）和迅速生长的木质部的标记基因，拟南芥中根-胚轴形成层特异表达类似α-expansins基因，EXPA9（At5g02260）和EXPA10（At1g26770）（Zhao et al.，2005）。

生长素和细胞分裂素都是木质部分化的调节因素。细胞分裂素合酶基因（cytokinin synthases）At3g63110和At5g19040在韧皮部/木质部形成层表达。CYP79B3（At2g22330）和CYP79B2（At4g39950）催化从色氨酸到吲哚3-乙醛肟（indole-3-acetaldoxime）步骤，是吲哚3-乙酸（IAA）合成途径中关键分支点。也在韧皮部/木质部形成层表达（Zhao et al.，2005）。

植物发育生物学：维管束分化机理及影响因素

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