边界区细胞命运维持的生长素调控机制

Plant organ boundaries separate different cell types and are essential for organogenesis and organ functions. The establishment of boundaries as well as the determination of the cell identity within the regions is very important and sophisticated, the regulation of which is yet to be illuminated. Recent studies have demonstrated that several transcription factors are involved in boundary formation. Our studies have also suggested important roles of phytohormones, such as auxin, in boundary formation. However, the understanding of the crosstalk between auxin and transcription factors is still rudimentary. A major challenge is therefore to infer the molecular mechanism underlying boundary formation through a systems biology approach. Specifically, we propose to study cell type-specific gene expression for the interactions between downstream genes and auxin. We will also examine the fundamental developmental process of how the boundary establishes and how auxin impacts this process through live-imaging. In the meanwhile we will perform genetic screening for genes that act downstream of auxin to affect boundary cell identities. In addition, boundaries ensure prosperous development and functions of leaves and flowers, which are important for certain agronomic traits, such as yield. Thus, our proposed study will also lay a solid foundation for precise crop breeding.

植物的器官边界区将不同的组织器官分开，以确保器官的结构和功能。边界区的建成特别是细胞命运的决定是一个重要而复杂的生物学问题，但由于研究难度很大，其调控机制远未阐明。目前的研究已经发现了多个转录因子影响边界区建成，我们之前的研究也发现植物激素在边界区建成中起关键作用，但这些基因与植物激素之间的相互作用机制有待研究。我们迫切需要通过细胞特异转录组分析等系统生物学技术手段和活体成像技术来解答边界区的建成机制。本项目将从转录组水平解析生长素分布及信号与边界区发育的相互调控关系，以解析器官边界区建成过程中的基因互作和激素调控网络。同时，我们将采用活体成像技术结合分子遗传操作分析生长素如何通过调控细胞周期影响边界区的建立。我们还将通过遗传筛选鉴定生长素调控边界区细胞命运决定的下游关键调控基因。边界区建立影响了叶、穗等器官发生过程，涉及诸多产量性状，因此本项目将为作物分子设计育种提供理论依据和技术支持。

植物器官边界区将不同组织和器官及不同细胞类型分开，它的建立和维持对于植物器官形成、植物形态建成以及干细胞命运维持都至关重要。本项目采用系统生物学的思路，综合基因组学、分子遗传学和激光共聚焦活体显微成像技术等多个研究手段从多个层面解析边界区的建立机制，阐明生长素低点与边界区建立过程间的相互调控，并揭示生长素在细胞水平的调控角色。本项目研究了植物激素生长素和细胞分裂素在边界区建成过程中的关键作用，具体解答了它们是如何调控细胞周期影响边界区的建立。我们通过对于在边界区高量特异表达的生长素下游激活型转录因子ARF5进行功能分析，发现维持生长素低点和ARF5的适时激活对于边界区的正确建立及边界区形成后腋芽分生组织的稳定形成和原基分化至关重要，揭示了ARF5在该过程中所起的“双刃剑”作用。我们还利用组织特异启动子对于边界区细胞周期进行人为扰动，发现细胞周期抑制因子在边界区的异位激活抑制细胞分裂并影响边界区的建立，引起边界区细胞膨大和腋芽发生缺陷，而细胞周期蛋白在边界区的过量表达则引起相反的表型，使得边界区细胞数量增多、密度变大，腋芽发生活性增高。此外，我们还通过细胞类型特异转录组分析技术对于边界区调控网络进行了构建，尤其关注响应于生长素信号通路的亚网络结构；我们揭示了生长素对于细胞壁组分果胶化学修饰的影响和力学属性的调节及其在细胞和组织水平上对于极性的影响。该项目资助的科研工作有效深化了我们对于边界区建立这一发育过程的认知，同时为作物分子设计育种提供理论依据。