硫化氢调控拟南芥根尖干细胞维持和分化的分子机理研究

Hydrogen sulfide（H2S） has been recently identified as a second messenger in controlling plant root growth and stress tolerance. However, the study of endogenous H2S in the regulation of root growth and development is little, particularly the molecular regulation mechanism still is not understand well. We previously have found that lcd-1 and dcd-1, two loss-of-function mutants of H2S synthesis genes LCD and DCD，show disturbed root stem cell identity and down-regulated transcription level of SCR and SHR, which play key roles in the maintenance of root stem cell niche (SCN). To further better understand the molecular mechanism of H2S in the regulation of root stem cell maintenance and differentiation in Arabidopsis, the molecular, genetic, biochemical and cellular approaches were combined in this study. The study will provide insights into how H2S regulates root growth and development in Arabidopsis through affecting stem cell maintenance，and supply basic methods to promote germplasm innovation in crops.

硫化氢（H2S）是植物体内重要的信号分子，在植物生长发育和抗逆性中起到非常重要的作用。然而对于内源H2S调控根生长发育的研究很少，且H2S如何调控植物根的生长发育以及具体的分子机制，目前尚不清楚。我们前期研究发现，拟南芥H2S关键合成酶基因（LCD 和 DCD）缺失突变体（lcd-1和dcd-1）根尖远端干细胞（DSC）和静止中心细胞（QC）稳态均发生紊乱，且显著下调与根尖干细胞维持密切相关的SHR和SCR基因的转录水平。本项目拟在前期研究的基础上，综合运用分子生物学、遗传学、生化、细胞学和转录组学等方法，进一步探讨H2S信号分子调控根生长和根尖干细胞维持和分化的分子机理。该研究将为全面明确H2S调控植物根系发育的分子机制，利用分子技术手段开展农作物根型育种提供基础理论证据和科学依据。

作为营固着生长的一类生物，植物根系的可塑性生长对植物适应外界不断变化的生存环境尤为重要，植物根尖干细胞微环境对于植物根的生长发育具有重要作用。硫化氢（hydrogen sulfide，H2S）是动物体内一种重要的信号组分，近年来，越来越多的证据表明H2S在植物体的多种生理过程调控中也起重要作用。但是关于内源H2S调控植物根尖干细胞维持和分化的分子机理知之甚少，有待深入研究。.qRT-PCR结果表明外施H2S抑制LCD和DCD基因表达，而HT明显提高LCD和DCD表达水平；通过荧光显微镜观察LCDp:GFP 和 DCDp:GFP 株系幼苗根尖，结果表明GFP在根尖有比较强表达；GUS染色结果同样表明LCD和DCD基因在根尖有较高表达量；以上结果表明内源H2S的生物合成与根尖干细胞微环境存在密切的联系。Lugol染色的结果发现, LCD和DCD基因的缺失突变体和过表达株系根尖QC细胞发生了明显的纵向分裂，并且远端干细胞(Distal stem cell, DSC) 处出现了明显的能够被 KI染色的淀粉粒积累，表明失去了干细胞活性。SCR 和 SHR以及 PLT1 和 PLT2 对于维持根尖干细胞的稳定具有重要的调控作用。我们分析了LCD和DCD基因的缺失突变体和过表达株系中 SCR、 SHR、 PLT1 以及 PLT2 的表达量。结果表明突变体和过表达株系根尖中SCR和SHR 表达量显著下调，而PLT1、PLT2、WOX5的表达水平无明显变化，以上结果暗示SCR和SHR可能参与硫化氢对根尖干细胞微环境维持的调控。通过RNA-seq、酵母单杂、双荧光素酶、ChIP-PCR等技术证明MYB86可能直接调控SCR和SHR表达，MYB86通过直接调控SCR和SHR表达而参与硫化氢对根尖干细胞的调控。我们研究发现，同野生型相比DR5rev::GFP 在硫化氢合成基因突变体和过表达株系中表达量无明显变化，这说明硫化氢对根尖干细胞微环境的调控可能不依赖于生长素调控途径。总之，研究表明硫化氢可能通过MYB86直接调节SCR和SHR基因表达，从而参与根尖干细胞维持和分化。另外，还发现植物根尖可能存在一个维持正常根尖干细胞微环境的最适硫化氢生理浓度，过高或者过低硫化氢浓度均可能破坏根尖干细胞的稳态。该研究为农作物根型育种提供基础理论证据和科学依据.