植物具有完全由體細胞(即通常不參與繁殖的植物再生普通細胞)再生的獨特能力。這個過程涉及莖尖分生組織(SAM)的揭開從頭(或新)形成，從而產(chǎn)生側(cè)生器官，植物再生這是揭開植物重建的關(guān)鍵。在細胞水平上，植物再生SAM 的揭開形成受到正調(diào)節(jié)因子(基因/蛋白質(zhì)分子)的嚴格調(diào)節(jié)，這些調(diào)節(jié)因子可能分別誘導或限制芽再生。植物再生但涉及哪些分子呢?是揭開否還有其他監(jiān)管層面尚未發(fā)現(xiàn)?
為了尋找上述問題的答案，由日本奈良科學技術(shù)研究所(NAIST)領(lǐng)導的植物再生一個研究小組研究了擬南芥(一種常用于遺傳研究的植物)的過程。他們的揭開研究發(fā)表在《科學進展》上，確定并描述了芽再生的植物再生關(guān)鍵負調(diào)節(jié)因子。他們證明了WUSCHEL 相關(guān)的揭開同源盒 13 ( WOX13 ) 基因及其蛋白質(zhì)如何通過充當轉(zhuǎn)錄(RNA 水平)阻遏物來促進愈傷組織細胞的非分生(非分裂)功能，從而影響再生效率。
“尋找提高植物芽再生效率的策略是一個漫長的過程。但由于相關(guān)監(jiān)管機制尚不明確，進展受到阻礙。我們的研究通過定義新的細胞命運規(guī)范途徑填補了這一空白，”這項研究的首席研究員 Momoko Ikeuchi 解釋道。
她的團隊之前的研究已經(jīng)確定了WOX13在移植后組織修復和器官粘附中的作用。因此，他們首先使用兩步組織培養(yǎng)系統(tǒng)測試了該基因在控制wox13 擬南芥突變體( WOX13功能失調(diào)的植物)中芽再生中的潛在作用。表型和成像分析顯示，在缺乏WOX13 的植物中，芽再生加速(快了 3 天)，而當誘導WOX13表達時，芽再生速度減慢。此外，在正常植物中，WOX13在 SAM 中表現(xiàn)出局部表達水平降低。這些發(fā)現(xiàn)表明WOX13可以負向調(diào)節(jié)芽再生。
為了驗證他們的發(fā)現(xiàn)，研究人員使用 RNA 測序在多個時間點比較了wox13突變體和野生型(正常)植物。WOX13的缺失并沒有顯著改變愈傷組織誘導條件下的擬南芥基因表達。然而，芽誘導條件顯著增強了wox13突變誘導的改變，導致芽分生組織調(diào)節(jié)基因的上調(diào)。有趣的是，這些基因在突變植物中WOX13過表達的 24 小時內(nèi)受到抑制。總的來說，他們發(fā)現(xiàn)WOX13抑制芽分生組織調(diào)節(jié)因子的子集，同時直接激活參與細胞擴增和細胞分化的細胞壁修飾基因。隨后基于 Quartz-Seq2 的單細胞 RNA 測序 (scRNA-seq) 證實了WOX13在指定多能愈傷組織細胞命運中的關(guān)鍵作用。
這項研究強調(diào)，與其他已知的芽再生負調(diào)節(jié)因子(僅阻止愈傷組織向 SAM 的轉(zhuǎn)變)不同，WOX13通過促進替代命運的獲得來抑制 SAM 規(guī)范。它通過與調(diào)節(jié)器WUS 的相互抑制調(diào)節(jié)回路來實現(xiàn)這種抑制，通過轉(zhuǎn)錄抑制WUS和其他 SAM 調(diào)節(jié)器并誘導細胞壁修飾劑來促進非分生細胞的命運。通過這種方式，WOX13充當再生效率的主要調(diào)節(jié)劑。“我們的研究結(jié)果表明，敲除WOX13可以促進芽命運的獲得并提高芽調(diào)控效率。這意味著WOX13基因敲除可以作為農(nóng)業(yè)和園藝的一種工具，促進組織培養(yǎng)介導的作物芽再生，”Ikeuchi 總結(jié)道。
