PNAS∣硝酸鹽通過細胞分裂素信號通路調節擬南芥頂端分生組織幹細胞穩態

2018年1月23日，PNAS發表了題為「Nitrate modulates stem cell dynamics in Arabidopsis shoot meristems through cytokinins」的文章。

文章揭示了硝酸鹽可以通過細胞分裂素信號通路起作用，調節擬南芥頂端分生組織幹細胞穩態。

由於在分生組織中胚胎幹細胞的維持，植物在整個過程中都會產生器官。控制頂端分生組織中幹細胞穩態和器官出現的分子機制已經有很好的研究，但是環境信號影響它們產生可塑性的方式在很大程度上是未知的。使用擬南芥的頂端分生組織作為模型系統，我們發現植物可以在幾天內適應土壤中硝酸鹽的可利用率的變化，相應的改變器官發生率，這歸功於細胞分裂素激素前體的長程信號傳導，最終植物在頂端分生組織中轉化為活性激素，進而調節WUSCHEL（幹細胞穩態的關鍵調節子）的表達。

摘要：

頂端分生組織（SAM）負責植物所有地上部分的生成。鑒於其關鍵作用，SAM活性的動態變化應該在植物結構適應環境的過程中發揮核心作用。利用定量顯微鏡，嫁接實驗和基因干擾，我們通過描述細胞分裂素向SAM傳遞營養物可利用水平的分子機制，將植物環境與SAM相連接。結果表明，細胞分裂素前體的系統性信號介導調節SAM的大小和器官發生率對礦物質營養可用性的適應性，並且這一調節是通過調節WUSCHEL（幹細胞穩態的關鍵調節子）的表達實現的。在time-lapse實驗中，進一步表明，這種機制可以使分生組織適應硝酸鹽濃度的快速變化，從而根據礦物質營養的可利用性，在幾天內調節器官發生率。我們的工作揭示了幹細胞調控網路的作用：它不僅能維持分生組織的穩態，還能使植物適應環境的快速變化。

Abstract：

The shoot apical meristem (SAM) is responsible for the generation of all the aerial parts of plants. Given its critical role, dynamical changes in SAM activity should play a central role in the adaptation of plant architecture to the environment. Using quantitative microscopy, grafting experiments, and genetic perturbations, we connect the plant environment to the SAM by describing the molecular mechanism by which cytokinins signal the level of nutrient availability to the SAM. We show that a systemic signal of cytokinin precursors mediates the adaptation of SAM size and organogenesis rate to the availability of mineral nutrients by modulating the expression of WUSCHEL, a key regulator of stem cell homeostasis. In time-lapse experiments, we further show that this mechanism allows meristems to adapt to rapid changes in nitrate concentration, and thereby modulate their rate of organ production to the availability of mineral nutrients within a few days. Our work sheds light on the role of the stem cell regulatory network by showing that it not only maintains meristem homeostasis but also allows plants to adapt to rapid changes in the environment.