[植物生理] 形成層的調控因子解密。 20191029 Nature Plants

Transcriptional regulatory framework for vascular cambium development in Arabidopsis roots

Jing Zhang, Gugan Eswaran, Juan Alonso-Serra, Melis Kucukoglu, Jiale Xiang, Weibing Yang, Annakaisa Elo, Kaisa Nieminen, Teddy Damén, Je-Gun Joung, Jae-Young Yun, Jung-Hun Lee, Laura Ragni, Pierre Barbier de Reuille, Sebastian E. Ahnert, Ji-Young Lee, Ari Pekka Mähönen and Ykä Helariutta

Abstract

Vascular cambium, a lateral plant meristem, is a central producer of woody biomass. Although a few transcription factors have been shown to regulate cambial activity1, the phenotypes of the corresponding loss-of-function mutants are relatively modest, highlighting our limited understanding of the underlying transcriptional regulation. Here, we use cambium cell-specific transcript profiling followed by a combination of transcription factor network and genetic analyses to identify 62 new transcription factor genotypes displaying an array of cambial phenotypes. This approach culminated in virtual loss of cambial activity when both WUSCHEL-RELATED HOMEOBOX 4 (WOX4) and KNOTTED-like from Arabidopsis thaliana 1 (KNAT1; also known as BREVIPEDICELLUS) were mutated, thereby unlocking the genetic redundancy in the regulation of cambium development. We also identified transcription factors with dual functions in cambial cell proliferation and xylem differentiation, including WOX4, SHORT VEGETATIVE PHASE (SVP) and PETAL LOSS (PTL). Using the transcription factor network information, we combined overexpression of the cambial activator WOX4 and removal of the putative inhibitor PTL to engineer Arabidopsis for enhanced radial growth. This line also showed ectopic cambial activity, thus further highlighting the central roles of WOX4 and PTL in cambium development.

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阿拉伯芥根部形成層轉錄調控的架構

摘要

維管束形成曾，植物的一個橫向的幹細胞區域，是主要木質部位生物質量的製造中心。雖然有一些轉錄因子被記錄可以調節形成層的活性，但是相對應的功能缺失突變植株，通常都只有輕微的型態改變。顯示我們對於調控形成層活性的機制，仍然是非常有限。在此，我們利用針對形成層所製作的轉錄數據，加上轉錄因子網路以及遺傳學的研究，鑑定出62個新的轉錄因子。這些因子的突變植物分別表現了不同程度的形成層表症狀。這個研究方法最終顯示了，當WOX4以及KNAT1兩者都失去功能時，形成層的活性將會失去，因此，我們可以解開基因重複對於形成層發育所帶來的影響。我們同時也發現了，擁有促進形成層細胞增生以及篩館分化兩種功能的轉錄因子，包含了WOX4、SVP以及PTL。利用這個轉錄因子網路的資訊，我們同時過度表達形成曾促進因子WOX，也移除假定的抑制因子PTL，來設計增加阿拉伯芥的半徑生長。這個轉殖植物同時也擁有異位的形成層活性。因此，更強調了WOX4以及PTL在形成曾發育上的中心角色。

原文出處： https://www-nature-com.ezproxy.library.wur.nl/articles/s41477-019-0522-9

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＊形成層是植物的第三個幹細胞區域，我們對於形成層的調控，其實知道的很少。形成層會向外分化成韌皮部，向內分化成木質部。但是這個特定的方向性，是怎麼導致的？然而形成曾本人的維持也是一大有趣的課題。在這篇研究中，鑑定出非常多新的轉錄因子，組合成的網路，可以當作未來研究這些主要課題的資料庫。而最終利用過度表達以及移除抑制因子的方式，將阿拉伯芥的維管束增厚了很多，顯示也許我們有可能利用這樣的方式，來調節木本植物的行程層活性，也許也可以是一種有潛力可以大量將空氣中的二氧化碳固定的方式。