CurrentBiology拟南芥

年3月，瑞典农业科学大学CharlesW.Melnyk团队在CurrentBiology期刊上发表了题为“Cell-walldamageactivatesDOFtranscriptionfactorstopromotewoundhealingandtissueregenerationinArabidopsisthaliana”的研究论文，该研究揭示生长素和细胞壁损伤将诱导激活四个DOF家族转录因子HCA2、TMO6、DOF2.1、DOF6表达，从而参与调控拟南芥的伤口愈合和组织再生，并在文中提出DOF转录因子调控拟南芥伤口愈合和组织再生的分子机制。

研究背景

在植物受到伤害之后，创伤将诱导防御反应以阻止进一步损伤，进而启动再生反应，以愈合伤口和再生组织，多种激素和信号均被证明调节该反应过程。如茉莉酸介导受损细胞的防御反应，生长素响应因子ANAC转录因子会激活细胞的再生机制。前期研究表明，生长素和细胞壁修饰在嫁接的愈伤形成过程中发挥着重要的作用。生长素可能参与早期的伤口识别，并可以诱导相关的DOF转录因子HCA2的表达，另有研究表明，DOF5.4/OBP4会促进愈伤组织的形成，大量的信息暗示着也有其它的DOF转录因子参与了再生过程的调控。然而，这些早期作用的转录因子是如何激活的，以及生长素和细胞壁损伤如何激活再生的机制细节尚不清楚。本文中，作者在之前观察到的生长素信号和早期嫁接转录反应的基础上，探索这些基因的生物学相关性和调节它们的过程，确定细胞壁修饰激活一组四种DOF转录因子，进而促进组织再生和伤口愈合。

研究结果

1、四个DOF转录因子在嫁接和伤口响应中发挥重要作用。

通过转录组数据分析发现，HCA2、TMO6、DOF2.1和DOF6这四个DOF转录因子在在嫁接后12小时内在嫁接接合处被激活，证明它们的表达与早期的损伤反应有关。为研究其功能，作者创制了相应的突变体材料，发现单、双或三个突变体对嫁接连接处的韧皮部重连没有影响，但在hca2tmo6-4dof2.1-1dof6-1的四突突变体中，组织附着减少、韧皮部重新连接、木质部重新连接以及嫁接后的根都有明显减少。同时过表达HCA2、TMO6、DOF2.1或DOF6会加快韧皮部重新连接的速度，这表明这四个DOF转录因子可以调节愈合反应。

Figure1.DOFsarerequiredforsuccessfulgraftformation

通过构建荧光报告株系观察分析可知，伤口周围的维管组织中TMO6、HCA2、DOF2.1和DOF6表达上调，同时四突突变体株系在花序切割后显示出伤口愈合受损，并且四突突变体在植物形态或初生根发育方面没有表现出实质性的变化。这些结果表明，DOF基因在创伤后早期被诱导，并在伤口愈合和嫁接植物再生中发挥重要作用。

Figure2.DOFsarewoundresponsiveandimportantforregeneration

2、果胶和纤维素的变化可诱导DOF改变细胞壁组成。

在对四突突变体株系做了全基因转录组测序之后，发现大量的细胞壁相关基因没有被诱导表达。同时，对四突突变体株系中的细胞壁组分进行了测定。野生型植株在受伤之后，细胞壁成分有多种变化，表现为D-半乳糖醛酸(GalA)减少，果胶（DM）增加，结晶纤维素含量略有增加，而在四突突变体株系中，植株受伤后增加了其GalA含量，但不改变其DM含量。此外，当生长介质中含有果胶酶或纤维素酶时，四突突变体幼苗对果胶酶或纤维素酶处理高度敏感。综上所述，这些数据表明，四突突变体的细胞壁组成受到干扰，DOF基因是伤害诱导扁平细胞修饰所必需的。

Figure3.DOFsregulatecell-wall-relatedgenesduringregeneration

Figure4.Cell-wallmodificationsinduceDOFexpression

3、DOF转录因子的激活依赖于生长素。

生长素在伤口愈合的过程中发挥着重要作用，同时之前的研究表明外源生长素的处理可诱导HCA2和TMO6的表达。为印证生长素是否会激活DOF转录因子的表达这一猜想，作者进行了一系列的实验。在实验过程中，发现在未经处理的植株中，当植株保持分离时，HCA2和TMO6的活性在切口上方比切口下方强得多，这表明可移动物质，如糖或生长素，可能是造成HCA2和TMO6不对称表达模式的原因。外源糖处理对于DOF的诱导没有影响但用NPA阻断生长素运输，或对生长素受体进行干扰，会显著降低HCA2和TMO6的表达。表明地上部的生长素是TMO6和HCA2诱导所必需的。作者通过测试各种生长素相关突变体的DOF水平变化来研究二者之间的关系。在iaa18-1显性突变体中，TMO6、HCA2和DOF2.1的表达被抑制，该突变体阻断生长素信号并抑制嫁接植物的形成，表明生长素信号是它们转录激活所必需的。在iaa18-1突变背景中过表达TMO6或HCA2部分恢复了嫁接接合处根部的韧皮部重联，表明增强的DOF表达可以弥补生长素信号的缺乏。之后，作者研究了细胞壁损伤是否可能是促进生长素诱导的DOF激活的创伤信号。通过化学处理，发现在纤维素酶或果胶酶中添加生长素并不能增加TMO6的表达。然而，生长素的抑制作用可以通过细胞壁降解来解除。生长素和纤维素酶联合处理表现出与纤维素酶单独处理效果相似，而生长素和果胶酶联合处理则较小程度诱导TMO6表达。由此可见，降解果胶不能克服生长素受体的抑制，但降解纤维素可以实现，并利用iaa-18突变体在PMEI5过表达背景下进行了进一步的验证。

综上所述，生长素信号可激活DOF转录因子的表达，但单独的外源生长素处理，并不足以诱导DOF表达。

Figure5.AuxinisimportantforDOFinduction

4、创伤诱导的ERF和ANAC也对果胶和纤维素的变化做出反应。

ANAC和ERF转录因子也是伤口愈合的重要调节因子。之前实验结果表明，果胶和纤维素修饰可以激活DOF表达，因此作者猜想细胞壁是否在创伤之后发挥类似的作用诱导ERF和ANAC的表达。转录组数据表明，在erf和anac突变体中，与细胞壁相关的基因表达下调，在用纤维素酶、果胶酶、生长素或者他们的组合物处理时，可诱导ERF的表达。同时，后续的实验证明，与DOF不同的是，纤维素和果胶的降解或变化足以诱导ERF和ANAC的表达，而不需要依赖于生长素信号。

Figure6.Cell-wallmodificationsinduceERFandANACexpression

总结＆评论

综上所述，研究发现四个DOF转录因子HCA2、TMO6、DOF2.1以及DOF6在拟南芥的伤口愈合和组织再生过程中承担调控作用，并通过这四突突变体，发现它们的功能缺失可抑制维管和细胞壁相关基因的表达，影响愈伤组织的形成、组织附着、维管再生和果胶甲酯化反应。细胞壁损伤和生长素可诱导激活DOF转录因子，进而影响愈伤形成和组织再生。同时，细胞壁损伤还可单独激活ERF和ANAC转录因子，以达到相似的效果，揭示了DOF、ANAC、ERF诱导表达，共同调控伤口愈合和组织再生的调控机制。

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林木科学评论

Xu/LuoLab

评论：刘诗雨

校对：胡建

编辑：刘淳昭

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