The Plant Cell | 利用热休克诱导克隆分析体系揭示了水稻茎中细胞命运的逐步建立

茎由节和节间组成，是支撑地上器官并连接根部的茎轴,并使水分运输和溶质交换成为可能。与其他器官相比，茎的发育过程仍然仍然知之甚少，尤其是那些起始节点和节间的发育过程。种子植物的茎由节和节间的重复组成,茎节是叶片与茎的附着点，其中的纵向生长非常有限，而节间是茎的一个区域，它会大幅伸长以提升叶片以捕捉光线（图1）。因此，茎已成为作物育种的重要目标。然而，尽管茎的发育很重要，但对它的研究仍然很少。克隆分析是解决植物发育中重要问题的有力方法，随着植物组织学和发育知识的积累，对不同物种进行了克隆分析。

近日，Katsutoshi Tsuda等人在国际著名杂志《The Plant Cell》上发表了一篇题为“Heat shock–inducible clonal analysis reveals the stepwise establishment of cell fate in the rice stem”的研究文章，作者通过在Cre重组酶基因中引入内含子，建立了单二元载体热休克诱导克隆分析体系，并应用于水稻旗叶植物体的茎部，研究了一个给定细胞的命运是否决定了一个特定器官，为揭示茎发育的分子机制奠定了基础，并为克隆分析提供了有价值的工具。

该研究中的热休克诱导克隆分析系统最初在拟南芥中建立，由两个二元载体组成。将pHS_iCre_LGG_ver.1转入水稻愈伤组织，用RT-PCR检测了Cre基因的表达，Cre基因产物的剪接形式非常微弱，大多数为非剪接形式（图2），可能是由于引入Cre基因的内含子的剪接效率不高。为了提高剪接效率，将插入的内含子剪接供体和受体位点周围的序列与水稻基因组中一致的序列进行了比较（图2）。将内含子插入位点向5 '侧移动了1bp，将Cat-1基因的内含子替换为水稻肌动蛋白基因 RAc1的内含子。为了测试该系统的性能，选择了三个独立的品系，并在不同程度的热休克处理下检测了Cre基因的诱导率。结果表明内含子的改进对于有效诱导至关重要。

接下来，作者研究了该系统是否可以在各种组织和器官中诱导GUS细胞。观察结果证明了该系统在研究水稻各种组织和器官方面的实用性。在进行克隆分析之前，作者对旗叶植物体中茎的结构和发育进行了表征(图1和3)，为了描述水稻的茎发育特征，在旗叶植物体形成过程中进行了组织学观察(图4)。

为了研究细胞命运在茎中建立的时间和顺序，应用克隆分析系统对旗叶植物体的茎发育进行了研究。总体而言，GUS最初跨越广泛，但逐渐局限于茎的较窄的区域(图5)。足部II可能是最早的区域，其细胞命运开始在旗叶植物体中决定。对旗叶或茎有特殊贡献的细胞系主要建立在SAM的侧翼或P0区域。结果表明旗叶和茎的细胞命运的建立是从中脉侧向叶缘逐渐进行。节间II是最后一个决定细胞命运的结构域，它开始于旗叶分聚体。

在这项研究中，我们的结果表明茎的不同部分的细胞命运是根据组织类型逐步确定的（图6）。我们建立了一个高效的水稻克隆分析工具。基于茎发育的详细描述，我们利用我们的工具揭示了旗叶植物茎组织中细胞命运决定的时间顺序。由于我们的系统可以很容易地应用于迄今为止所检查的水稻的任何器官，它将成为一个强大的工具，以扩大对细胞谱系和细胞命运决定的认识。但是到目前为止，这些调控所涉及的分子机制尚不清楚，而具体的节点和节间模式则完全未知。这里揭示的细胞命运的逐步建立将为揭示干细胞发育的潜在机制奠定基础。

原文链接：

https://doi.org/10.1093/plcell/koad241

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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