2019年4月15日,来自韩国延世大学的Myeong Min Lee团队在Nature Communications在线发表题为“QUIRKY regulates root epidermal cell patterning through stabilizing SCRAMBLED to control CAPRICE movement in Arabidopsis”的文章。该文章报道了QKY蛋白可以通过稳定SCM蛋白来控制CPC在表皮细胞间的移动,从而维持拟南芥根尖正常的细胞类型发育。


韩国延世大学研究团队发现植物根表皮细胞发育新机制


拟南芥根由表皮、皮层、中柱等组成,细胞沿轴向顺序排列。根据表皮细胞是否能形成根毛,可将其分为根毛细胞和非根毛细胞,分别称为H细胞和N细胞。表皮细胞的分布具有特定规律。从横截面来看,H细胞往往位于皮层细胞之间的夹缝上,与两个皮层细胞都有接触;而N细胞只与一个皮层细胞相接。前人研究表明,两类MYB类的调控因子比例WER/CPC决定细胞命运:N细胞中高WER/CPC值,H细胞中低WER/CPC值。除此之外,SCM(富亮氨酸类受体激酶)也是拟南芥根在合适的位置发育为正常的细胞类型所必需的。SCM可以在H细胞中表达并抑制WER的表达,然而SCM基因如何去抑制WER的表达还不太清楚。


为了解SCM在根表皮细胞中的调控模式,作者利用EMS诱变拟南芥植株,后代筛选出一株与scm表型类似的突变体,通过回复实验,双杂交实验以及测序实验鉴定,发现突变的基因是QKY等位基因,作者将该突变体命名为qky-16。


通过在野生型和qky-16突变体中表达WER,CPC或EGL3 启动子连GFP的载体,发现在该突变体中,很多细胞命运调节子的表达模式都会发生改变,这种现象与scm突变体中的现象类似。这说明QKY和SCM可能是根表皮细胞发育中的早期调控因子,它们的缺失会导致下游调控网络的紊乱。


作者利用QKYp:GUS和QKYp:QKY-GFP转基因植株,GUS染色发现QKY主要表达在根的中柱鞘细胞和根分生区组织者中,在根表皮和根冠细胞中表达很少;同时GFP荧光信号在根的大部分组织细胞中的质膜上不均衡分布,这种表达模式与SCM的表达模式十分一致。


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图1. QKY的表达模式


因为表达模式与功能的类似性,作者研究了QKY和SCM之间可能的关系。通过两者突变体杂交,发现双突与单突的表型没有显著差别,说明两种蛋白应该是在同一条遗传途径上,又因为RHD3p:QKY(RHD3启动子在根中泛在性强表达)可以回复qky-16的表型却不能回复scm-2的表型,说明QKY应该作用于SCM上游或者与其平行,而不会位于其下游。


因为,QKY和SCM定位在胞间连丝,所以很可能QKY和SCM与移动的转录因子CPC介导的侧抑制有关。作者通过观察qky-16cpc-1,scm-2cpc-1双突突变体与qky-16,scm-2,cpc-1单突变体的表型,发现CPC可能是QKY和SCM的下游基因。通过观察CPC-GFP在qky-16和scm-2突变体植株中根表皮细胞中的积累水平,发现qky-16和scm-2突变体植株抑制了CPC在H细胞中的累积。当用基因枪瞬时转化转化拟南芥莲座叶时,发现在qky-16和scm-2突变体植株中,CPC-GFP移动到临近细胞的数目比率显著性低于在野生型中的移动比率。并且当在qky-16突变体中同时打入CPC-GFP和QKY时,CPC-GFP的移动到临近细胞的数目比率也显著性低于在野生型中的移动比率;在scm-2突变体中同时打入CPC-GFP和SCM时,CPC-GFP的移动比率也显著性低于在野生型中的移动比率,这说明SCM与QKY可能影响CPC进入细胞而不影响其输出细胞。


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图2. 在表皮细胞中QKY和SCM控制CPC的移动


为了研究SCM与QKY之间直接的相互作用,作者利用CoIP和酵母双杂交的方法发现SCM的胞外域能与QKY的N端相互作用,进一步的蛋白酶K实验发现,QKY的N端是胞外域,这表明SCM与QKY之间的胞外域部分可以直接相互作用。当在qky-16scm-2双突突变体与scm-2单突变体中过表达SCM-GFP时,SCM蛋白的表达水平在qky-16scm-2比在scm-2中少,但是启动子的活性和转录本的量在两者之间没有差别。然而相反地,QKY-GFP蛋白的表达水平在qky-16scm-2与qky-16差异不大,说明QKY可以影响SCM的稳定性。当在qky-16scm-2双突突变体与scm-2单突变体中过表达不能与QKY相互作用的SCMEM2-GFP时,SCM蛋白的表达水平在qky-16scm-2比在scm-2中差异不大。这说明QKY可以通过与SCM相互作用来影响SCM的稳定性。


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图3. SCM与QKY之间的相互作用


为了去进一步了解QKY是通过什么途径去影响SCM的稳定性,作者通过用不同的试剂(MG132,lactacystin,E-64d,ConA,TyrA23)去处理过表达SCM-GFP的qky-16scm-2和scm-2植株,检测SCM-GFP的表达量,结果表明,SCM是通过内吞作用从质膜中内化形成膜泡随后在膜泡中降解,而QKY可以阻止内化作用和膜泡的降解。


为了检测QKY是否可以阻止SCM的泛素化,作者检测植物体内SCM-GFP的分子量大小,发现SCM在体内是以单泛素化形式而非多泛素化形式存在。并且进一步的实验结果表明,由QKY能在在H细胞中阻止SCM的泛素化。


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图4. QKY调控SCM的泛素化


总之,作者发现一个新的qky突变体。在该突变体中,很多细胞命运调节子比如SCM的表达模式都会发生改变。进一步实验发现,QKY和SCM对表皮细胞中CPC的移动很重要。并且SCM的降解是依赖于泛素化液泡降解途径而QKY可以通过与SCM相互作用来阻止SCM的泛素化,从而稳定SCM。


编者注:根尖细胞的发育是一个研究热点,在该文章中,作者发现了根发育过程中新的调控机制,在根细胞正常发育调控网络中新添了一笔。


关于拟南芥


拟南芥 (Arabidopsis thaliana)又名鼠耳芥,阿拉伯芥,阿拉伯草。属被子植物门,双子叶植物纲,十字花科植物,拟南芥基因组大约为12500万碱基对和5对染色体。

文章来源: iPlants

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