[植物演化/生理] 地錢中，細胞極性與無性生殖的機制。 20191014 Current Biology

The RopGEF KARAPPO Is Essential for the Initiation of Vegetative Reproduction in Marchantia polymorpha

Takuma Hiwatashi, Honzhen Goh, Yukiko Yasui, Li Quan Koh, Hideyuki Takami, Masataka Kajikawa, Hiroyuki Kirita, Takehiko Kanazawa, Naoki Minamino, Taisuke Togawa, Mayuko Sato, Mayumi Wakazaki, Katsushi Yamaguchi, Shuji Shigenobu, Hidehiro Fukaki, Tetsuro Mimura, Kiminori Toyooka, Shinichiro Sawa, Katsuyuki T. Yamato, Takashi Ueda, Daisuke Urano, Takayuki Kohchi, and Kimitsune Ishizaki

SUMMARY

Many plants can reproduce vegetatively, producing clonal progeny from vegetative cells; however, little is known about the molecular mechanisms underlying this process. Liverwort (Marchantia polymorpha), a basal land plant, propagates asexually via gemmae, which are clonal plantlets formed in gemma cups on the dorsal side of the vegetative thallus. The initial stage of gemma development involves elongation and asymmetric divisions of a specific type of epidermal cell, called a gemma initial, which forms on the floor of the gemma cup. To investigate the regulatory mechanism underlying gemma development, we focused on two allelic mutants in which no gemma initial formed; these mutants were named karappo, meaning ‘‘empty.’’ We used whole-genome sequencing of both mutants and molecular genetic analysis to identify the causal gene, KARAPPO (KAR), which encodes a ROP guanine nucleotide exchange factor (RopGEF) carrying a plant-specific ROP nucleotide exchanger (PRONE) catalytic domain. In vitro GEF assays showed that the full-length KAR protein and the PRONE domain have significant GEF activity toward MpROP, the only ROP GTPase in M. polymorpha. Moreover, genetic complementation experiments showed a significant role for the N- and C-terminal variable regions in gemma development. Our investigation demonstrates an essential role for KAR/RopGEF in the initiation of plantlet development from a differentiated cell, which may involve cell-polarity formation and subsequent asymmetric cell division via activation of ROP signaling, implying a similar developmental mechanism in vegetative reproduction of various land plants.

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『空』（空っぽ Karappo）基因，是在地錢中對於營養繁殖過程中必須的因子。

總結

許多植物可以行營養繁殖 - 從體細胞製照出完全相同的後代。然而，對於這個營養繁殖得分子機制，所知甚少。地錢，一種基礎的陸生植物，可以以無性方式形成“芽”來繁殖。芽是在地錢的營養時期（葉狀體，thallus）在背側的芽杯中形成的複製體。在芽的形成初期，位在芽杯底部一類特別的表皮細胞，稱為始芽細胞，會延長並且進行不對稱分裂來開始芽的發育。為了影響研究芽發育的機制，我們聚焦在兩個在同一基因上兩個不同位置發生突變的突變植物上。這兩個突變植物無法生成芽，我們把這些基因稱為Karappo，日文的意思為“空”。我們利用全基因體定序來定序這兩個突變株，並利用分子遺傳學的方式來鑑定出這個突變的基因KAR。KAR基因編碼了一個ROP鳥糞嘌呤核苷酸交換因子。KAR蛋白帶有植物所特有的ROP核苷酸交換催化區域（PRONE）。全長的KAR蛋白以及他的PRONE區域，在試管內測試下，發現針對MpROP（地錢中唯一的ROP)有很顯著的鳥糞嘌呤核苷酸交換功能。此外，遺傳互補的實驗也顯示KAR蛋白質的氨基端以及碳基端的可變區域，在芽的發育扮演了很重要的功能。我們的研究展示了KAR/Rop鳥糞嘌呤核苷酸交換因子在從一個已經分化的細胞開始新生一個植物的過程中，扮演了一個必要的角色。而這個新生的過程中，KAR也許也透過了活化ROP的訊息傳導，參與了細胞極性的生成，以及接下來的不對稱分裂的發生。這個現象暗示了在許多不同的植物中，營養繁殖可能有著相似的發育機制。

原文連結： https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960982219311212

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＊營養繁殖不論對於植物或是人類來說，都是一個重要的現象。植物利用這個機制，在條件許可的情況下可以快速的繁衍，佔據領土。而人類則可以利用這個機制，來大量製造具有同樣性狀的植物體，可以避免雜交後，性狀改變的缺點。然而，一直以來這個機制是如何調控，都不是非常清楚。近年來，在ROP (Rho Of Plant)的訊息傳導機制逐漸有點進展的狀態下，對於細胞發展新的極性，以及不對稱分裂（要發展新的細胞身份，或是改變細胞生長方向等，都需要這兩件事情）似乎有機會突破。這篇報導研究了在早期演化的陸生植物地錢中，一個在維管束植物中已知會調節ROP功能的互動蛋白GEF (Rop 鳥糞嘌呤核苷酸交換因子)的突變，會影響出芽生殖的機制。不過，這個機制似乎不是調控整個出芽生殖的起始點，因為在芽杯的底部，還是可以看見與正常植物中相同的細胞突出，但是似乎無法進行不對稱分裂。這個機制如何被調控的，在這篇報導中並沒有太多的著墨，期待在之後的研究中，會更近一步知道，這個Rop/GEF是如何影響決定不對稱分裂的發生。