揭开植物再生的秘密

植物具有完全由体细胞(即通常不参与繁殖的普通细胞)再生的独特能力。这个过程涉及茎尖分生组织(SAM)的从头(或新)形成，从而产生侧生器官，这是植物重建的关键。在细胞水平上，SAM 的形成受到正调节因子(基因/蛋白质分子)的严格调节，这些调节因子可能分别诱导或限制芽再生。但涉及哪些分子呢?是否还有其他监管层面尚未发现?

为了寻找上述问题的答案，由日本奈良科学技术研究所(NAIST)领导的一个研究小组研究了拟南芥(一种常用于遗传研究的植物)的过程。他们的研究发表在《科学进展》上，确定并描述了芽再生的关键负调节因子。他们证明了WUSCHEL 相关的同源盒 13 ( WOX13 ) 基因及其蛋白质如何通过充当转录(RNA 水平)阻遏物来促进愈伤组织细胞的非分生(非分裂)功能，从而影响再生效率。

“寻找提高植物芽再生效率的策略是一个漫长的过程。但由于相关监管机制尚不明确，进展受到阻碍。我们的研究通过定义新的细胞命运规范途径填补了这一空白，”这项研究的首席研究员 Momoko Ikeuchi 解释道。

她的团队之前的研究已经确定了WOX13在移植后组织修复和器官粘附中的作用。因此，他们首先使用两步组织培养系统测试了该基因在控制wox13 拟南芥突变体( WOX13功能失调的植物)中芽再生中的潜在作用。表型和成像分析显示，在缺乏WOX13 的植物中，芽再生加速(快了 3 天)，而当诱导WOX13表达时，芽再生速度减慢。此外，在正常植物中，WOX13在 SAM 中表现出局部表达水平降低。这些发现表明WOX13可以负向调节芽再生。

为了验证他们的发现，研究人员使用 RNA 测序在多个时间点比较了wox13突变体和野生型(正常)植物。WOX13的缺失并没有显着改变愈伤组织诱导条件下的拟南芥基因表达。然而，芽诱导条件显着增强了wox13突变诱导的改变，导致芽分生组织调节基因的上调。有趣的是，这些基因在突变植物中WOX13过表达的 24 小时内受到抑制。总的来说，他们发现WOX13抑制芽分生组织调节因子的子集，同时直接激活参与细胞扩增和细胞分化的细胞壁修饰基因。随后基于 Quartz-Seq2 的单细胞 RNA 测序 (scRNA-seq) 证实了WOX13在指定多能愈伤组织细胞命运中的关键作用。

这项研究强调，与其他已知的芽再生负调节因子(仅阻止愈伤组织向 SAM 的转变)不同，WOX13通过促进替代命运的获得来抑制 SAM 规范。它通过与调节器WUS 的相互抑制调节回路来实现这种抑制，通过转录抑制WUS和其他 SAM 调节器并诱导细胞壁修饰剂来促进非分生细胞的命运。通过这种方式，WOX13充当再生效率的主要调节剂。“我们的研究结果表明，敲除WOX13可以促进芽命运的获得并提高芽调控效率。这意味着WOX13基因敲除可以作为农业和园艺的一种工具，促进组织培养介导的作物芽再生，”Ikeuchi 总结道。