细胞分裂素调控共质体介导的拟南芥根尖干细胞微环境维持的机理研究

The Arabidopsis root cell niche comprises the quiescent center (QC) and its surrounding stem cells. It has been generally assumed that cell-to-cell communication of QC and SCN provides positional information to inhibit differentiation of surrounding stem cells. In addition to mechanical signal, secreted peptide and plant hormone, the plant cell can exchange signals via the symplasm (the continuous cytoplasm created by plasmodesmata). We have previously exploited a novel system that effectively blocks plasmodesmata (PD)-mediated signaling, and found that symplastic signaling between QC and adjacent cells directs the formation of local auxin maxima and establishment of PLT gradients through regulating local auxin biosynthesis. Furthermore, our results showed cytokinin was reduced with blocked PD signaling in SCN. The treatment of cytokinin could rescue QC differentiation but not auxin gradient. Here we project to elaborate the function of cytokinin in maintenance of root SCN, and uncover the potential regulatory hub converged by auxin and cytokinin signaling during the cell-to-cell communication within SCN.

拟南芥根尖干细胞微环境(stem cell niche, SCN)由QC细胞与其周围的一圈干细胞组成。过去研究表明，根尖SCN中QC通过胞间信号提供位置信息，抑制周围干细胞分化。除了机械信号、分泌肽和激素外，植物可通过胞间连丝网络形成的共质体传递信息。本课题组在前期研究中利用一个可有效阻塞共质体交流的系统，发现QC和周围细胞间的共质体信号能通过调控局部组织的生长素合成，指引根尖生长素峰值形成和关键调控因子PLT梯度建立。进一步研究显示细胞分裂素在共质体信号阻断区域含量降低，增加细胞分裂素的含量也能够挽救胞间连丝堵塞引起的QC分化等表型，但不能恢复此区域的生长素峰值。我们推测细胞分裂素与生长素在共质体介导的根尖SCN维持中共同发挥功能。我们计划开展分子生物学、细胞生物学实验以及生物信息学分析，以明确细胞分裂素在维持根尖SCN稳态中的具体功能，寻找与生长素互作的基因，为其与生长素共同作用的共质体介导根尖SCN稳态提供充分证据。

干细胞微环境（SCN）对植物根的胚后发育有着至关重要的功能。我们的前期研究发现，切断静止中心（QC）细胞与周围干细胞的共质体途径交流（icals3m系统）后，QC细胞出现分裂加剧及分化的现象，CSC细胞出现分化，扰乱了SCN的维持。以前关于根尖干细胞微环境损害或重建的研究利用诸如激光切割或者直接切除等物理手段进行，而本课题利用pWOX5: icals3m转基因材料，诱导体内直接阻断共质体途径信号交流，从而使干细胞微环境失去原有功能为研究手段，进行相关根尖SCN区域的时序性干扰或重建分析，解析根尖再生过程中的分子机理调控。该方法不会对根尖造成任何的组织损伤，能够在完整的拟南芥根中观察干细胞再生的情况。这也是目前进行根尖干细胞研究的较理想系统。首先，我们利用阻断共质体途径介导的根尖SCN系统，通过分析细胞分裂素在阻断细胞间信号交流以及在SCN恢复重建过程中的含量和分布变化，阻断信号交流后根冠处细胞分裂素浓度下降，但是在维管束浓度增加。而在恢复重建中，细胞分裂素浓度又呈现由下降到上升的明显变化；与此同时，生长素的积累和分布也发生了结构性变化。另外，研究发现在此过程中，生长素和细胞分裂素之间的相互拮抗作用最终可能有助于定位QC细胞并赋予其特定的细胞特性。我们的研究结果显示在干细胞再生过程中，生长素和细胞分裂素之间的相互作用必不可缺，同时也阐释了已经分化的QC在恢复重塑过程中不同阶段的调控机制，为更详细地了解植物根尖干细胞再生过程提供了良好系统以及探索思路。