全 文 ：植物学通报Chinese Bulletin of Botany 2008, 25 (3): 363-372, w w w .chinbullbotany.com
收稿日期: 2007-08-28; 接受日期: 2007-11-19
* 通讯作者。E-mail: xlliu@mail.cnu.edu.cn
.专题介绍.
拟南芥根的辐射形态相关基因 SHORT-ROOT研究进展
高潜 1 , 刘玉瑛1, 费一楠 2 , 李大朋1 , 刘祥林1*
1首都师范大学生命科学学院, 北京 100037; 2中国专利信息中心, 北京 100088
摘要 从模式植物拟南芥中克隆得到的SHORT-ROOT基因(SHR )被证明参与根部形态建成途径。目前已知SHR是与根辐
射形态直接相关的重要调控因子, 同时也参与维持根尖分生组织的活性。SHR既作为转录因子启动下游基因的表达, 又作为
短程信号调节根的发育。本文综述了SHR相关研究进展, 并展望其研究前景。
关键词 辐射形态, SHORT-ROOT, 信号网络, 转录因子
高潜 , 刘玉瑛 , 费一楠 , 李大朋 , 刘祥林 (2008). 拟南芥根的辐射形态相关基因 SHORT-ROOT研究进展. 植物学通报 25, 363-372.
根是植物重要的营养器官, 它是植物在长期适应陆
地生活过程中发展起来的, 担负着吸收水分和营养物质
以及使植物固着在基质上的重要作用。根的顶端叫根
尖(root t ip), 由数目众多的致密细胞组成(Dolan et al.,
1994 )。植物的根尖依次分为分生区、伸长区和分化
区。其中分生区(meris tem)的顶端是根的干细胞区域,
与茎尖分生组织(shoot apical meristem, SAM)一样是
植物干细胞研究的热点(Nakajima and Benfey, 2002; 徐
云远和种康, 2005)。根尖分生组织的中心区域由有丝
分裂旺盛的干细胞群组成, 它们是根生长所必需的。由
这些细胞共同围绕的静止中心(quiescent center, QC)是
根部的干细胞组织中心, 静止中心细胞几乎不分裂, 其作
用是提供维持这一干细胞区域的信号(van den Berg et
al. , 1995; Aida et al., 2004)。其周围的干细胞(s tem
cell)(也称为起始细胞)随着连续的不对称分裂将新产生
的子细胞(daughter cells )推离分生区, 接受新的信号调
控后经过严格有序的平周分裂(periclinal division)和垂周
分裂(anticl inal divis ion)并逐渐分化为特定的细胞类型
(Stahl and Simon, 2005), 从而形成根的各种解剖学形
态, 其中包括辐射形态(radial patterning)(Ueda et al.,
2005 )(图 1)。
大多数植物, 包括公认的模式植物拟南芥的根尖分
生组织从横截面上可以看作是由4个同心圆(由外向内分
别是表皮层、皮层、内皮层和中柱鞘)共同围绕着的一
个圆柱状结构(维管组织)(Benfey and Scheres, 2000)。
这一模型的提出把根的三维结构简化成为平面的对称问
题。在过去的 10 年里, 研究表明破坏根的辐射形态会
导致根生长的停滞, 例如 S HORT -ROO T (S HR )和
SCARECROW (SCR)基因突变体的根长都明显短于野
生型(Benfey et al., 1993), 组织切片观察也表明它们的
内皮层特征消失, 根尖分生组织干细胞活性丧失(d i
Laurenz io et al. , 1996)。SHR(AT4G37650)属于
GRAS转录因子基因家族, 其作用方式和途径已经得到
部分揭示。本文将对有关 SHR已取得的研究成果作一
综述, 并对其研究前景进行了展望。
1 GRAS转录因子家族
GRAS蛋白家族是高等植物所特有的一大类具有相当保
守羧基末端的蛋白质家族, 其长度一般在400-700个氨
基酸残基之间, 在烟草、水稻、大麦、矮牵牛和百合
等植物中都有发现 , 并以其最先被发现的 3 个成员
GAI、RGA 和 SCR的特征字母命名(di Laurenz io et
al. , 1996; Peng and Harberd, 1997; Silverstone et al.,
1998; Pysh et al., 1999; Czikkel and Maxwell, 2007)。
系统进化树分析结果表明, GRAS 家族中至少 33个成
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员可以被分为7个分支, 分别为DELLA蛋白分支、SCR
分支、Ls 分支、HA M 分支、P AT1 分支、S HR 分
支和 SCL9分支(Bolle, 2004)。其保守的羧基末端一般
由几个典型的结构组成: LXXLL、7个亮氨酸重复区 I
(LHRI)、NLS、VHIID、7个亮氨酸重复区 II(LHRII)、
PFYRE 和 SAW(Pysh et al. , 1999)。LXXLL基序
(mot if)是在动物中存在的参与类固醇受体共激活复合体
与其核受体结合的元件(Heery et al. , 1997; Peng and
Harberd, 1997; Torchia et al. , 1997; Silvers tone et
al., 1998)。目前普遍认为 LHRI-VHIID-LHRII结构是
DNA结合区(其中 2个 LHR可能与其它转录因子或蛋白
结合, VHIID则与DNA相结合), 因此推测GRAS家族具
有转录因子活性(Pysh et al., 1999)。特别是其羧基末
端具有与非植物体 STAT家族相似的DNA结合结构域,
核定位序列(nuclear localizat ion signal, NLS)分析也更
加验证了这一点(Bolle, 2004)。Pysh 等(1999)的研究
表明: VHIID基序是所有GRAS 家族成员所共有的, 尽
管它在序列上不十分保守; 与 V HIID 和 S A W 相比,
PFYRE基序的保守程度更低, 其中只有脯氨酸残基绝对
保守, 但是所有GRAS家族成员在其高级结构上仍然表
现出相似性; SAW基序的特征是具有3对绝对保守的氨
基酸残基对, 即 R-E、W-G和W-W。GRA S 基因家
族的重要成员在植物根和茎的生长发育过程中分别发挥
着十分重要的作用。例如: 番茄中的 LS 基因参与叶腋
分生组织形成侧芽(Schumacher et al., 1999); 矮牵牛
中的 HAM基因参与了茎尖分生组织的维持(Stuurman
e t a l . , 20 02 ) ; G A I (G I B B E RE L L I C A C I D
INSENSITIVE )、RGA (REPRESSOR OF GA1-3)和
RGL(RGA-LIKE)基因负调控赤霉素的信号转导途径, 使
赤霉素对植物茎的伸长作用降低, 其突变导致植物对赤
霉素不敏感而呈现矮化(P eng and Harberd, 1997;
Silverstone et al. , 1998; Lee et al., 2002; Wen and
Chang, 2002)。GRAS 家族成员氨基末端的极度不保
守正好解释了各分支成员的不同作用, 如DELLA分支成
员特有的DELLA 结构域、VHYNP 结构域和多聚S/T
位点的丝氨酸残基参与赤霉素诱导的泛素降解过程, 解
除了 DELLA 蛋白的负调控作用(Gubler et al., 2002;
Itoh et al. , 2002; Gomi and Matsuoka, 2003; Fleet
and Sun, 2005)。
SHORT-ROOT与其它功能已知的GRAS蛋白序列
相似性相对较小, 只具有 VHIID基序和 PF YRE 基序
(Pysh et al., 1999; Helariut ta et al., 2000), 因此推测
图 1 拟南芥根尖结构示意图(改绘自Scheres et al., 2002)
(A) 纵截面; (B) 横截面
Figur e 1 Schematic of Arabidops is root anatomy (adopted
from Scheres et al., 2002)
(A) Longitudinal section view ; (B) Transverse section view
365高潜等: 拟南芥根的辐射形态相关基因SHORT-ROOT研究进展
其在功能上与其它成员有所不同, 成为系统进化树上单
独的一个分支(Cz ikkel and Maxwell, 2007)。
2 SHORT-ROOT基因与基本组织
Benfey 等(1993)利用 T-DNA 插入失活的方法得到了
short-root(shr)突变体, 此突变体在1×MS固体培养基上
生长 28-42 天后, 虽然地上部分与野生型(Co l-0)相
似, 但是根部生长明显停止。木栓质染色实验还表明
由于 S H R 基因的突变导致了凯氏带结构消失
(Scheres et al. , 1995),取而代之的是具有皮层特征
的单层细胞(Nakajima and Benfey, 2002; Sabat ini
et al. , 2003), 暗示了SHR在基本组织细胞分裂与分
化中的重要作用。
拟南芥的SHORT-ROOT基因(AtSHR)在 2000年
被成功克隆, 其编码区全长 1 593 bp, 在根和茎中都能
检测到其转录产物(Helariut ta et al., 2000)。SHR具
备GRAS蛋白家族的特征序列, 细胞核定位揭示了其作
为转录因子的可能性, 但是与已知的其它成员在功能上
有所不同。
总体来说, 基本组织(ground tissue)细胞包括基本
组织起始细胞(或称为干细胞)(initials)、基本组织起始
细胞子细胞、皮层(cortex)、中皮层(middle-cortex)和
内皮层细胞(endode rmis)。基本组织起始细胞进行一
次不对称的垂周分裂产生基本组织子细胞, 基本组织子
细胞再进行一次不对称的平周分裂而同时产生皮层细胞
和内皮层细胞(Scheres et al. , 1995)。多数高等植物
的根都只有一层内皮层, 皮层的数目则表现出种属间的
差异, 这说明植物在内皮层细胞特化方面存在进化上的
保守性(Cui et al. , 2007)。
2.1 SHR在根发育中的作用
2.1.1 SHR与 SCR
AtS HR的多个突变体(shr -1、shr -2、shr -3、shr-4
和 shr-5)都表现出根生长减弱和子叶颜色深暗的表型。
显微观察拟南芥根尖分生组织, 发现 shr植株的基本组
织子细胞不能发生不对称平周分裂, 因此没有产生单独
的内皮层和皮层, 而仅有一层类似皮层的细胞(Benfey et
al. , 1993; Scheres et al., 1995)。GRAS 家族的第 1
个成员SCARCROW(AT3G54220)正常情况下在基本组
织子细胞不对称分裂前就有表达, 并且在分裂后的内皮
层中持续表达。scr突变株根的基本组织也仅有一层细
胞, 但不同于shr, 其兼具内皮层和皮层的特征(Scheres
et al., 1995; di Laurenzio et al., 1996; Wysocka-Dil ler
et al. , 2000)。这说明在根的辐射形态形成中 , SHR
和 SCR具有各自的作用。SCR仅参与基本组织子细
胞的分裂; SHR则负责内皮层细胞的极性分化和基本
组织子细胞的分裂。那么 S HR 和 S CR 之间有没有
联系呢？
scr×shr双突变体植株表现为shr的表型, 而且原位
杂交实验和GFP融合实验分别证明在scr突变体中SHR
的转录和转pSHR::GFP植株中的GFP荧光表达及定位
未受到 SCR突变的影响; 反之, shr突变体中SCR的转
录和转pSCR::GFP植株中的GFP荧光表达都明显降低
(Wysocka-Dil ler et al., 2000)。过量表达 SHR的实验
中, 在转 p35S::SHR植株的根部根分生组织原本SCR
表达域以外的区域(中柱和根冠除外)中也检测到了SCR
的杂交信号(Helariut ta et al. , 2000)。相似地, 在转
pS C R: : S HR 植株中也检测到了多个内皮层的出现
(Nakajima et al., 2001)。这些实验结果表明在同一功
能途径中 SHR在 SCR上游起作用, 其可以在特定的组
织(例如多余的内皮层)中直接诱导 SCR启动子的活性,
SHR和 SCR都是辐射形态形成的正调控因子。
Sabat ini等(2003)随后发现, 即使在shr植株内转入
SCR并表达也不能恢复根的生长和根尖分生组织的干细
胞活性。另外, scr中能检测到的内皮层特异基因在 shr
植株中没有转录, 因此可以推断出根分生组织活性的维
持不仅需要SCR, 还需要其它依赖于SHR的途径平行
地发挥作用(Cui et al. , 2007)。在研究植物细胞再生机
制过程中, 静止中心被破坏的 shr、scr突变体都不能完
全再生QC细胞, 因而导致这一区域附近的细胞去分化
(只有小柱细胞可以再分化), 这也证明 SHR可以作为细
胞命运决定子维持分生组织的活性(Xu et al. , 2006)。
在最近的一项研究中, SCR与 SHR的关系得到进
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一步阐明。C u i 等( 2 0 0 7 )采用染色体免疫共沉淀
(Chromat in immunoprec itation, ChIP)、酵母双杂交和
启动子扫描技术, 揭示了 SCR与 SHR在转录因子功能
上的相互依赖性, 建立了 SCR/SHR复合体正反馈调节
SCR的模型。在这一模型中, SCR与 SHR通过 VHIID
基序直接形成二聚体启动下游基因的转录, 同时也激活
S CR 自身的转录。
2.1.2 SHR参与基本组织的成熟
在MS 培养基上生长 14天左右的拟南芥成熟基本组织
由 3 层细胞组成: 内皮层、中皮层和皮层。中皮层细
胞是由内皮层远离QC区的细胞再次发生不对称平周分
裂后, 形成的 2个子细胞中接近于皮层的那个细胞产生
的, 具有皮层细胞的特征(Baum et al., 2002; Paquet te
and Benfey, 2005)。赤霉素(GA)和 SCR在这一发育
途径中起着负调控因子的作用, SCR在时空上调控着中
皮层细胞的产生, 即防止中皮层提早形成, 并将首先形成
的中皮层限制在木质部(Paquette and Benfey, 2005),
但是GA与SCR之间的调控关系还有待进一步研究。在
shr突变体中由于缺乏相应的转录因子, 因此 SCR的负
调控作用应该受到抑制, 即中皮层应该提早发生。然而
Paquet te和 Benfey(2005)发现 shr突变体不能产生中
皮层, 这表明中皮层的产生依赖于 SHR的存在, 并且这
一过程是独立于 SCR的。
2.1.3 SHR与 SCZ
根的表皮由生毛体细胞(t ric hobl as t )和非生毛体细胞
(atrichoblast)间隔构成(Dolan et al. , 1994), 称为根的
周缘形态(c ircumferent ial patterning)(Ueda et al. ,
2005)。SCHIZORIZA (SCZ)基因突变导致伸长区和分
化区的基本组织细胞转变成生毛体细胞产生根毛, 并产
生额外的基本组织细胞层(My lona et al. , 2002), 这与
scr和 shr突变体细胞层数减少的表型相反。为了验证
S CZ 是否在同一途径中起作用, 研究人员还观察到
scz×scr和 scz×shr 2种双突变体植株中额外的细胞层
减少, 表明 scr和 shr抑制了 scz引起的额外平周分裂。
这仅能说明SCR在基本组织细胞分裂中的作用, 但是进
一步的分子机制还未见报道, 特别是 SHR与 SCZ 之间
的拮抗关系仍然缺乏实验证据。
2.1.4 SHR下游基因
在研究 SCR维持根尖分生组织干细胞活性的作用时发
现, 即使在 shr突变体中的静止中心细胞内组成性表达
SCR仍不能恢复这一干细胞组织中心的功能(Sabatini
et al., 2003), 因此在SHR下游应该还有一系列基因平
行于 S CR 发挥作用。
Levesque等(2006)在对一系列彼此独立的基因芯片
结果(包括在shr突变体背景下直接诱导表达SHR, SHR
功能缺失和异位表达 S H R )进行后设分析( m e t a -
analysis )后得出, SHR具有转录因子活性, 其下游可能
有 495个基因受其调控, 其中 106个基因上调表达, 另
外 389个基因下调表达。统计学分析进一步表明有8个
基因的调控情况具有高度置信性, 极可能直接被SHR诱
导表达。对这 8 个基因的启动区分别单独研究后确定,
其中包括 S C R 在内的 4 个基因( S C A R C R O W、
M A G P I E、T R O P I N O N E R E D U C T A S E、
NUTCRACKER)可由SHR直接诱导转录, 而另外4个
基因还缺乏有力的证据证明它们与 S HR 有直接的调
控关系。
Levesque等(2006)经过GO(Gene Ontology, http:/
/www.geneontology.org)分析进一步筛选聚类的特征基
因, 总结并按照功能将受SHR间接调控的基因划分为转
录因子(46个)、蛋白质磷酸化酶(40个)、物质代谢类
(111个)和激酶(37个)。一般认为大多数转录因子的下
游激活因子数目与受其抑制的因子数目大致相等, 而对
于 SHR则受抑因子数目(79%)多于被激活因子的数目
(21%)。因此总体来说 SHR很可能主要以抑制子的身
份起作用。进一步的研究发现受抑因子中 75% 的基因
参与编码受体样激酶(receptor-like k inases, RLKs), 在
数量上远远高于被诱导激活的因子数目, 并且一个未知
功能的RLK(AT5G67280)(Shiu and Bleecker, 2001)已
经被证明直接受到 SHR的调控。RLK家族显然介导了
SHR的信号途径(3个被上调, 29个被下调)(Levesque et
al. , 2006)。
367高潜等: 拟南芥根的辐射形态相关基因SHORT-ROOT研究进展
2.1.5 SHR与植物激素
上述基因芯片分析结果还提示我们, SHR调控的对象跟
3类植物激素都有关系。其中 4个基因与赤霉素(GA)信
号途径有关(RGL1、RGL2、GA3和 SNE ); 还有 4个
与油菜素内酯(B R)的合成、转导和感应有关(BRL3、
BIN3、CYP90D1和 Br6ox2), 其中 BRL3被证明参与
了根系维管组织分化和侧根发育(Cano-delgado et al.,
2004), 与 shr突变体的维管组织发育缺陷表型十分吻合
(Levesque et al., 2006); 更多的是与生长素途径相关的
基因, 共 12个(PIN3、PIN7、CYP79B2、SPS和SU2
等) , 并且都受到了负调控。已知生长素的极性运输在
植物根系生长(Fu and Harberd, 2003; Chilley et al. ,
2006)、向地性(Firml et al., 2002; Ot tenschlager et
al., 2003)和侧根发生(Bao et al., 2004; Fukaki et al.,
2007; Wu et al., 2007)等过程中有着广泛而重要的作
用, 因此在生长素信号途径中SHR可能具有抑制作用。
2种DELLA蛋白(RGA和GAI)共同抑制拟南芥根的伸长,
此抑制作用可被赤霉素和生长素所抵消( F u a n d
Harberd, 2003)。SHR同时调控上述 2种激素的信号
转导和生物合成, 显示了其在维持干细胞微环境中的重
要地位。
此外, 我们通过实时荧光定量PCR实验也检测到细
胞分裂素促使 S HR 转录水平升高(未发表)。S HR 是
否如此广泛地参与到多种激素信号转导途径中还有待
深入研究。
2.2 SHR在根部细胞间的移动和定位机制
原位杂交实验显示, SHR的mRNA分布在中柱结构内除
韧皮细胞及其伴胞以外的区域, 而pSHR::SHR::GFP和
pSHR::SHR::GUS 融合定位实验也证明其翻译产物能
扩展到与中柱直接相邻接的所有细胞类型中, 表现为一
种细胞间的信号传递, 并且SHR在内皮层中只在细胞核
中定位(Helariut ta et al. , 2000; Nakajima et al. ,
2001)。以上证据表明 SHR在中柱内转录并翻译, 然后
向相邻的细胞层扩散, 最终定位于内皮层细胞核。SHR
的这种离向(centrifugal direc tion)移动与根辐射形态的
形成过程十分吻合, 在 scr突变体中仍能观察到SHR-
GFP这样的移动方式。这些实验证据说明了 SHR在辐
射形态的形成中以非细胞自主方式(non-cell-autono-
mous manner)作用于基本组织原细胞的子细胞。由此
不难联想到SHR可能与已发现的KNOTTED1和LEAFY
(Lucas et al., 1995; Sessions et al. , 2000; Kim et al.,
2002, 2003)等转录因子相类似, 以胞间连丝构成的共质
体(symplast ic )作为被动扩散的通道。进一步的研究发
现, 在内皮层中表达的 SHR-GFP 信号没有出现在中柱
细胞内, 而带有核定位序列的SHR-nls-GFP被局限在中
柱结构内。在韧皮细胞及其伴胞的特异启动子控制下
表达的 SHR-GFP融合蛋白也不能移出这一区域(Sena
et a l. , 2004 )。也就是说, 不同于 K NO TTE D1 和
LEAFY, SHR的移动不仅不是自由扩散, 并且还必须借
助于中柱细胞质内未知的转运蛋白或者分子伴侣
(Gallagher et al., 2004; Sena et al. , 2004), 或者必须
克服某些限制其移动的因子。而这与植物中另外一个
可移动的转录因子CARPRICE(CPC)类似(Kurata et al.,
2005 )。
更有意思的是, 在研究 shr-5突变体时发现, SHR
的第 289位的苏氨酸残基发生错义突变(T>I)以后, 其移
动和功能都受到严重影响。转 pSHR::SHRT>I-GFP植
株的荧光信号集中在中柱细胞的核内, 内皮层中没有荧
光信号, 说明SHR的细胞质定位和移动都与这一突变位
点有密切的关系。而且即使借助 SCR的启动子在内皮
层细胞核中表达SHRT>I-GFP, 也没有发现转 pSCR::
SHRT>I-GFP植株中额外细胞层的产生, 即这一位点也
与 SHR的功能直接相关(Gallagher et al. , 2004)。虽
然经过软件预测和与 S TA T 蛋白磷酸化(Hoey and
Schindler, 1998)类比分析, 这一位点很可能是一个磷酸
化位点, 但是仍缺乏有力的实验证据。
综上所述, SHR若要发挥正常的作用, 既需要从中
柱细胞进行出核转运, 同时也需要内皮层中的限制因子,
因此它是一种短程(short -range)信号。
移动到相邻细胞层发挥作用可能只是SHR的作用
方式之一。利用组织特异启动子异位表达 SHR::GFP
融合蛋白的实验显示, 在WEREWOLF(WER)启动子控
制下, 融合蛋白在表皮细胞谱系中表达, 导致了多个额
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外细胞层的产生, 但是融合蛋白仅在表皮层细胞谱系中
出现, 而且在scr-1背景下也具有额外的细胞层(Sena et
al., 2004)。在表皮层异位表达 SCR却没有这种现象
(Levesque et al. , 2006), 暗示 SHR在细胞平周分裂过
程中似乎还有其它不依赖于 SCR的作用方式。Sena等
(2 004 )还观察到 S H R 的启动子在韧皮部伴随细胞
(companion cells)中转录不活跃, pSUC2::SHR-GFP的
荧光信号也不能移动到其它相邻的细胞中, 也就是说
SHR的转录和移动具有一定的组织特异性。RNAi实验
中 SCRi植株分裂出额外的细胞层, 且数目与 SCR的转
录水平呈负相关, 在内皮层细胞以外的细胞中也观察到
SHR的出现(Cui et al., 2007)。这些都说明了 SCR参
与了限制SHR的移动, 即SHR与SCR形成复合体后就
不再具备被转运出细胞核的能力, 从而维持了根的辐射
形态。在此基础上, Welch等(2007)进一步鉴定出了参
与构成 S C R - S H R 复合体的 C 2 H 2 锌指蛋白、
JA CK DAW (JKD)和前面提到的MA GP IE (M GP )。
JK D的表达域在Q C、基本组织起始细胞和内皮层细
胞。在这些细胞中 JKD首先通过调控 SCR的表达来间
接定位SHR, 双分子荧光互补实验(bimolecular fluores-
cence complementation, BiFC)和酵母双杂交实验也都
证明 JKD与 SHR、SCR及 JKD自身存在不同程度的
相互作用, 但都不如 SHR与 SCR的作用那样强。其次,
JKD也能直接参与 SHR的定位, jk d突变体中 GFP-
SHR融合蛋白的细胞核定位受到影响, 基本组织也发生
额外的平周分裂。而mgp-i×jk d植株中 jk d突变体的大
部分表型得到了回复, 说明在基本组织中 JKD是通过抑
制 SHR的定位以及依赖于 SHR、SCR和MGP的不对
称分裂来维持根的辐射形态的。值得一提的是, 尽管水
稻OsSCR1与OsSHR1也存在直接的相互作用, 但是
OsSHR1的表达模式不同于 AtSHR, 暗示着 SHR的功
能在进化上也有不保守的一面(Kamiya et al., 2003; Cui
et al. , 2007)。
2.3 胚胎发育时期的SHR
观察 pSHR::SHR-GFP植株中GFP荧光信号在胚胎形
成时期的表达和定位, 发现 SHR-GFP最早在球形胚晚
期的前形成层细胞中开始表达, 经过三角胚时期、心形
胚时期、鱼雷胚时期的持续表达最终在成熟胚胎的中
柱和子叶柄部中心形成 Y 型分布(Hela riu t ta et al . ,
2000 )。这些证据说明 S HR 对于植物根、茎、叶维
管组织形成的促进作用很早就已经建立。SHR下游的
2个基因, MGP和SCR也在球形胚时期的基本组织细胞
原中开始表达, SCR随后持续在基本组织和前静止中心
细胞中出现(Wysocka-Diller et al., 2000), 而MGP 仅
出现在基本组织中(Welch et al., 2007)。从鱼雷胚阶
段开始, 已经可以分辨出与成熟胚胎相类似的辐射形态,
因此SHR与SCR的相互作用很可能也在胚胎发育早期
建立, 同样以非细胞自主方式发挥作用。
3 小结与展望
植物细胞的命运主要由其周围细胞发出的信号共同决定
(Stahl and Simon, 2005), 然而对这些信号的作用机理
和生物学本质知之甚少。近 10年来, 对于 SHR的功能
研究有了突破性进展, 但是关于SHR在干细胞维持中的
作用及其参与的下游信号途径仍然不明晰, 而且其翻译
产物的移动通道也有待进一步阐明。
植物的分生组织一直是细胞生物学研究的热点。
早先认为植物根尖分生组织和茎尖分生组织分别由不同
的信号网络调控(Laux, 2003)。在茎尖分生组织中,
WUS与CLE的反馈调节环参与决定了干细胞命运(徐云
远和种康, 2005)。WUS是WOX转录因子家族的成员,
其中WOX5在胚胎发育时期的静止中心前体中特异表
达(Haecker et al., 2003)。wox5-1突变体中 QC及其
周围的干细胞异常膨大且部分发生分化, 而且在 shr和
scr背景下WOX5 低水平表达(Sarkar et al., 2007), 因
此可以推测根尖分生组织可能与茎尖分生组织有着相似
的信号调控网络(Stahl and Simon, 2005)。但是WUS
重要的反馈抑制因子CLE中只检测到了CLV2在根尖中
的表达(Birnbaum et al. , 2003), 不足以构成反馈调节
环, 可能还有未知因子起到了类似的作用(Fiers et al. ,
2005), 因此证实上述猜测还需要更多的线索。Benfey
实验室不仅利用基因芯片对QC特异的基因进行了高通
369高潜等: 拟南芥根的辐射形态相关基因SHORT-ROOT研究进展
量筛选(Nawy et al., 2005), 还通过后设分析提出了大
量可能的 SHR下游基因(Levesque et al., 2006)。Aida
等(2004)提出了 Auxin-PLETHORA-SHR模型, 认为生
长素参与激活转录因子 P LT, 再与 S HR 及其下游的
SCR共同维持了分生组织的干细胞微环境。其中很可
能还有其它激素发挥了作用(Long and Benfey, 2006)。
围绕这一模型展开研究可能有助于揭示这一复杂的信号
调控网络。
作为在细胞间移动的大分子, SHR在分子大小和功
能上都不简单等同于已知的植物多肽信号 (李琛等,
2006), 它更多地被看作可移动的转录因子(Nakajima et
al. , 2001; 王建国等, 2007)。众多谜题仍在等待解答,
如 SHR通过什么途径促使胞间连丝打开？又是什么辅
助了它的定向移动？是否具有未曾发现的信号肽序列？
要解答上述问题, 除了解析 SHR的晶体结构, 还必
须借助新的研究手段, 特别是分离出特定的细胞群(Nawy
et al. , 2005)以及利用激光切除技术(Reinhardt et al. ,
2003; Xu et al., 2006)。
总之, 细胞信号转导是一个复杂的分子和生理过程,
涉及纷繁芜杂的调控网络。传统的生物化学、分子生
物学、正向遗传学与新兴的生物信息学、后基因组学
相结合将帮助我们获得更多信息。
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372 植物学通报 25(3) 2008
(责任编辑: 刘慧君)
Research Advances into the Root Radial Patterning
Gene SHORT-ROOT
Qian Gao1, Yuy ing Liu1, Yinan Fei2, Dapeng Li1, Xianglin Liu1*
1Co lle ge of L ife Scien ces, Capital Normal Un iversit y, Bei jin g 1 0003 7, Chi na
2Ch ina Patent In formati on Center, Be ijin g 1 000 88, Chi na
Abstract The SHORT-ROOT (SHR) gene, f irs t c loned from Arab idops is thali ana, is a key regulator not only in root radial
patterning but also in root mer istem maintenance. Currently , SHR is character ized as both a transc ription f ac tor f or activating
dow nstream gene expression and a short- range s ignal f or modulating root development. In this paper, w e review recent research
and prov ide prospective view s of this f ield.
Ke y w ords ra dia l p atte rni ng, SHORT-ROOT, sign ali ng network, t ranscri pti on factor
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* Author for correspondence. E-mail: x lliu@mail.cnu.edu.cn
新书介绍
《Mi cr oR NA研究方法》(导读版)
原著: John J. Ros si, Gregory J. Hannon
导读: 屈良鹄
MicroRNA在动植物的生长、发育、分化、生殖等生理过程中发挥着重要的作用, 本书由科学出版社出版, 是最新的
关于microRNA研究的方法学专著(定价: 88.00元)。两位主编, John J. Ross i博士和Gregory J. Hannon博士, 分别来自
美国加州生物科学研究所&贝克曼研究所和美国冷泉港实验室, 他们都是RNA干扰领域的知名专家。参与编写的34位作者
分别来自不同国家的13个研究小组, 在m icroRNA研究的各个领域取得过突破性成果。本书的13个章节分别介绍了这13
个研究小组所做的部分工作及取得的成果, 并以他们的研究为主线, 系统地汇集了其他研究小组的重要研究成果和主要研究
方法 。
药物研究中的蛋白质组学(译)
原著: M.哈马驰等
翻译: 周兴茹, 裴端卿等
本书由科学出版社最新出版(定价: 58.00元), 介绍了最传统的蛋白质二维凝胶电泳、质谱、液相色谱、芯片等蛋白
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书, 而是一本指引药物研发工作者如何以蛋白质组学技术为工具, 达到新药开发目的的概要性教科书。书中不仅包括科学内
容, 还用一定篇幅介绍了科研工作中必需的管理性知识, 它先从管理到技术, 再到应用, 再回到管理, 是一套完整的以蛋白质组
技术进行药物开发的知识体系。
本书适用于生命科学相关专业, 特别是生物化学、分子生物学、药学和基础医学专业的研究生、科研和教学人员参考。