1、第二章 莖端分生組織shoot apical meristem，SAM 植物分生組織的概念 莖端分生組織的構(gòu)成 莖端分生組織的形狀發(fā)生 側(cè)芽的構(gòu)成與分生組織的重建 莖端分生組織發(fā)育的遺傳控制1. 植物分生組織的概念 Meristem：是指植物的胚性組織，或一群未分化、正在生長并活潑分裂的細(xì)胞。 細(xì)胞較小，等徑的多面體，細(xì)胞壁薄，細(xì)胞核相對較大，細(xì)胞質(zhì)較稠密，有少量小的液泡 。 分生組織的分類 以莖軸為參照系，根據(jù)分生組織所處的部位：頂端分生組織apical meristem是植物根尖、莖端的分生組織。莖端分生組織shoot apical meristem，SAM、根端分生組織root apic

2、al meristem, RAM側(cè)生分生組織lateral meristem在某些植物根莖等器官近外表與長軸平行的方向上呈桶狀分布的分生組織。包括構(gòu)成層cambium；木栓構(gòu)成層cork cambium。居間分生組織intercalary meristern在某些植物發(fā)育過程中，曾經(jīng)分化的成熟組織間夾雜著一些未完全分化的分生組織。 根據(jù)分生組織細(xì)胞之間的衍生關(guān)系 ：原生分生組織promeristem從胚胎中保管下來，具有耐久的分生才干，位于根、莖的最前端初生分生組織primary meristem原分生組織衍生，形狀上有初步分化，但具有分生才干。次生分生組織secondary meristem

3、由曾經(jīng)分化的細(xì)胞恢復(fù)分生才干構(gòu)成分生組織。 分生組織在植物發(fā)育中的重要性 經(jīng)過活潑的細(xì)胞分裂而完成多細(xì)胞植物個(gè)體的形狀建成。莖端分生組織是被子植物生活周期完成的中心。 2.莖端分生組織的構(gòu)成 The SAM can produce very different organs, depending on the phase of its life cycle, from leaves with various shapes during the vegetative phase, to flowers during the reproductive phase.Longitudinal sect

4、ion of a paraffin-embedded WT SAM of the plant model Arabidopsis thaliana, showing an in situ hybridization of the CLV3 geneFabrice Besnard Teva Vernoux Olivier Hamant (2021). Cell. Mol. Life Sci. 68:28852906 All SAMs in higher plants share a stereotypical common structure: a central, often dome-sha

5、ped domain surrounded by several emerging organs. Cells in the meristem proper are considered as undifferentiated, because of their smaller size, a reduced vacuole, and an active mitotic cycle. Shoot apical meristem organization 原套原體學(xué)說tunica-corpus theory 細(xì)胞組織學(xué)的分區(qū)學(xué)說cytohistological zonation theory T

6、he tunica consists usually of 2-3 cell layers where cell division occurs primarily in the anticlinal plane (perpendicular to the surface). 原套通常包含有2-3層細(xì)胞，細(xì)胞進(jìn)展嚴(yán)厲的垂周分裂，以堅(jiān)持原套的層狀陳列。Structural zonation of the SAM, CZ central zone, PZ peripheral zone, P primordium, I Initium, L1L3 cellular layersThe corpus

7、 is the mass of cells in the central part of the meristem and cell divisions occur in all planes. 原體由分生組織中央的細(xì)胞群組成，可以進(jìn)展平周、垂周兩種分裂，細(xì)胞陳列較為雜亂。 葉的表皮主要來自L1細(xì)胞層葉肉細(xì)胞由L2細(xì)胞層衍生葉維管組織來源于L3細(xì)胞層Central ZoneCZ：是多能性干細(xì)胞和其他區(qū)細(xì)胞的發(fā)源地，細(xì)胞核顯著。 Peripheral ZonePZ：圍繞中心區(qū)延伸，是 側(cè)生器官的發(fā)生區(qū)域，細(xì)胞分裂活潑。 Rib ZoneRZ： 位于分生組織的基部，是頂端分生組織與莖組織之間的過渡

8、區(qū)，成為分生組織和完全分化細(xì)胞之間的一個(gè)邊境。 此外，環(huán)繞外周區(qū)的區(qū)域?qū)⒊蔀槠鞴賲^(qū)OZ，器官原基在此區(qū)構(gòu)成形狀上可以區(qū)分的構(gòu)造。OZSpatial variations of cell cycle rate in the SAMGenetic zonation of the SAM.Putative distribution for the three main hormones auxin, cytokinin, and gibberellins in the SAM.Mechanical stresses in the SAM. The models predict thatthe L1

9、is under tension and internal tissues are undercompression.Besnard T et al。Cell. Mol. Life Sci. (2021) 68:28852906草原龍膽的花芽分化進(jìn)程形狀分化前期 萼片原基CaP分化期 花瓣原基PeP分化期 雄蕊原基SP分化期 雌蕊原基PP分化初期 雌蕊原基PP分化末期 花瓣原基PeP I分化期 萼片原基CaP分化期 花瓣原基PeP II分化期 雄蕊原基SP分化期 花瓣原基PeP III分化期 雌蕊原基PP分化末期 草原龍膽的花芽分化進(jìn)程Initiation of Shoot apical me

10、ristem 從受精卵分裂開場，一個(gè)新的植物生活周期中最初的莖端分生組織的來源各個(gè)分枝莖端分生組織的來源合子進(jìn)展第一次非對稱的橫向分裂構(gòu)成頂細(xì)胞和基細(xì)胞，由頂細(xì)胞發(fā)育成原胚，基細(xì)胞發(fā)育成胚柄，從而建立起縱軸的極性。 頂細(xì)胞進(jìn)展兩次縱向分裂產(chǎn)生四細(xì)胞原胚，然后進(jìn)展橫向分裂，構(gòu)成八細(xì)胞原胚，分裂產(chǎn)生的細(xì)胞壁稱為O線，將原胚分為兩個(gè)不同的區(qū)域。在球形胚期，O線上方由表皮層和下皮層兩層細(xì)胞組成，在向魚雷胚過渡時(shí)，下皮層細(xì)胞平周分裂，下皮層再分為上下皮層和下下皮層。莖端分生組織就是由這三層細(xì)胞發(fā)育而來。當(dāng)子葉向外長出時(shí)，夾在子葉間的三層細(xì)胞區(qū)變寬，構(gòu)成莖端分生組織。3.莖端分生組織的形狀發(fā)生 不同類型的

11、側(cè)生器官是莖端分生組織形狀發(fā)生的標(biāo)志 莖端分生組織活動(dòng)終結(jié)方式的多樣性 葉轉(zhuǎn)變?yōu)榛ㄆ鞴?：月季等單花植物花序分生組織 構(gòu)成刺或卷須，如山楂、葡萄。 側(cè)芽的構(gòu)成與分枝 側(cè)芽的活動(dòng)根本上是在不同程度上反復(fù)受精卵細(xì)胞來源的莖端分生組織的活動(dòng)，兩者之間最重要的不同，在于側(cè)芽的莖端分生組織的構(gòu)成方式與受精卵細(xì)胞來源的莖端分生組織不同。主莖的莖端分生組織在構(gòu)成葉原基時(shí)保管在其葉腋處的分生細(xì)胞所組成；葉腋處已分化的細(xì)胞重新脫分化而構(gòu)成。4. 側(cè)芽的構(gòu)成及莖端分生組織的重建 莖端分生組織的重建 側(cè)芽不是直接從保管在葉腋處莖端分生細(xì)胞構(gòu)成的。這就涉及從已分化的細(xì)胞脫分化而構(gòu)成新的莖端分生組織，即莖端分生組織重組

12、的問題。 莖端分生組織是一團(tuán)活潑分裂的胚性細(xì)胞。那么，已分化的細(xì)胞是如何逆轉(zhuǎn)其分化的方向、退回到分化程度低的胚性形狀？這不斷是人們關(guān)懷的一個(gè)有趣的問題。 Kalanchoe laxiflola 5.莖端分生組織發(fā)育的遺傳控制 莖端分生組織的中心區(qū)域有一群分裂速度較慢的莖干細(xì)胞(stem cell, 以下稱干細(xì)胞), 它們分裂可以產(chǎn)生兩部分細(xì)胞, 一部分稱干細(xì)胞后裔(progeny of stem cell), 它們留在原來的位置, 堅(jiān)持著多潛能性; 另一部分稱子細(xì)胞(daughter cells), 它們最終會(huì)分開中心區(qū)域而進(jìn)入周邊區(qū)域, 在那里堅(jiān)持較快的分裂速度, 可以分化成為器官原基(Ma

13、yer等1998; Clark 2001)。細(xì)胞分裂產(chǎn)生新的干細(xì)胞和干細(xì)胞分開中心區(qū)域發(fā)生分化這兩個(gè)過程之間必需維持平衡以保證莖端分生組織的正常功能(Fletcher等1999), 此種平衡的實(shí)現(xiàn)需求一系列基因的準(zhǔn)確調(diào)控。 5.莖端分生組織發(fā)育的遺傳控制 莖端分生組織發(fā)育突變體 shoot meristemlessstm突變體：胚胎發(fā)育正常，但成熟的胚缺失莖端分生組織。 STM 不僅參與SM在胚中的起始，也是維持SM在胚后生 長中構(gòu)成器官所必需的。STM促進(jìn)CZ細(xì)胞的分裂，維持堅(jiān)持未CZ細(xì)胞分化形狀。STM編碼HD蛋白。wuschelwus突變體：可以構(gòu)成2至數(shù)片葉，在葉腋處又能起始一些不定分

14、生組織反復(fù)幾次，導(dǎo)致植株發(fā)育成叢縮狀。在某些情況下，偶爾產(chǎn)生一些無定型的莖枝并開花，但只構(gòu)成花萼和花瓣和單個(gè)雄蕊，闡明WUS基因并不抑制器官構(gòu)成，而是特化分生組織細(xì)胞命運(yùn)所必需的。WUS基因的功能或許是協(xié)助建立CZPZ分界 。Clavataclv突變體： 未分化細(xì)胞可以繼續(xù)積累；CLV1基因編碼一個(gè)類似受體的激酶具有胞外區(qū)和胞內(nèi)區(qū)的蛋白，其N端有一個(gè)潛在的信號肽。一個(gè)21個(gè)氨基酸的胞外亮氨酸富集(LRR)蛋白，一個(gè)跨膜區(qū)域，以及一個(gè)膜內(nèi)的絲氨酸/蘇氨酸激酶區(qū)域。CLV基因限制CZ細(xì)胞分裂的速率；CLV基因促進(jìn)進(jìn)入PZ的細(xì)胞從未分化形狀轉(zhuǎn)換為分化形狀。 CLAVATA3(CLV3) ： (L1)

15、 、 (L2) of the central zoneCLV1 mRNA ：(L3) of the central zone.WUSCHEL (WUS) ： restricted to a few cells within the L3 FILAMENTOUS FLOWER (FIL) ：expression demarcates lateral organ anlagen in the peripheral zone.WUS編碼一種由291個(gè)氨基酸組成的同源異型構(gòu)造域蛋白。在胚后發(fā)育階段，WUS一直在莖端分生組織中心區(qū)域的干細(xì)胞之下的一個(gè)小細(xì)胞群中表達(dá), 此細(xì)胞群稱為干細(xì)胞組織中心(stem

16、 cellorganizing center, OC) (Mayer等1998)。WUS的表達(dá)足以誘導(dǎo)干細(xì)胞特征基因CLV3在其上方的細(xì)胞中表達(dá)并賦予它們干細(xì)胞特征 。在莖端分生組織中, WUS的存在能促使其中的干細(xì)胞堅(jiān)持未分化的形狀, 并維持莖端分生組織的構(gòu)造和功能的完好。 WUS經(jīng)過與轉(zhuǎn)錄輔阻遏蛋白WSIP1和WSIP2結(jié)合, 抑制參與干細(xì)胞分化過程中的基因表達(dá), 因此干細(xì)胞能堅(jiān)持其多能性的特征。 WUS在擬南芥莖端分生組織內(nèi)的干細(xì)胞組織中心表達(dá), 使其上方的細(xì)胞維持干細(xì)胞特性, 這些干細(xì)胞經(jīng)過分裂, 將部分子細(xì)胞推入周邊區(qū)域構(gòu)成器官原基, 同時(shí)維系本身的存在。在這個(gè)過程中CLV (CLV

17、1、CLV2、CLV3)基因起調(diào)理作用。 CLV1在WUS表達(dá)區(qū)域的上方表達(dá), 編碼一個(gè)富亮氨酸受體蛋白激酶, 其胞外域由N末端信號序列和21個(gè)反復(fù)陳列的亮氨酸組成。此外, 它還含有一個(gè)疏水性的跨膜域和一個(gè)存在于胞質(zhì)內(nèi)的激酶域 。 CLV2與CLV1以二硫鍵結(jié)合構(gòu)成異二聚體。在CLV2的跨膜區(qū)域含有帶電荷的氨基酸, 它與受體激酶跨膜區(qū)域之間的電荷作用能促使異二聚體的構(gòu)成。 (A) A sketch of the Arabidopsis shoot apex showing various cell types compared with domains of WUS RNA and prote

18、in distribution. 3D reconstructed top view of a wus-1 mutant SAM rescued by pWUSTeGFP-WUS (B) and FMs of stage 2 (C), stage 3 (C), and stage 5 (D) showing eGFP-WUS protein (in green); cell outlines were stained with FM4-64 (red). (E,F) Side views of SAMs showing eGFP:WUS protein extending into the P

19、Z and into the L1 layer. (G,H) Side views of early and late stage FMs showing WUS protein localization. I, J, and K are side views of SAMs, early flowers, and late flowers, respectively, showing eGFP mRNA distribution in pWUSTeGFP:WUSexpressing plants.Genes Dev. 2021 25: 2025-2030WUS protein migrate

20、s from OC/niche into adjacent cells(A) Illustration of the gene interactions in the model showing typical expression domains in the SAM. (B) Simulation results from a CLV3WUS feedback model .The top row shows WUS expression, and the bottom row shows CLV3 expression. The left panel shows the wild-typ

21、e expression domains, the middle panel shows the results from a perturbed WUS diffusion (the disappearance of the CLV3 expression can be interpreted as a terminated meristem), and the right panel shows the expanded stem cell domain/CLV3 expression domain along the outer layers of cells upon misexpre

22、ssion of WUS from the CLV3 promoter, as shown in earlier In the color bar, a linear scale is used and normal represents the template value used for optimizationA computational model for 3D patterning of gene expressions in the SAM. Three Arabidopsis AIL/PLT genes act in combination to regulate shoot

23、 apical meristem function Mudunkothge JS and KrizeBA. Plant Journal 2021, doi: 10.1111/j.5-313X.2021.04975.xA balance between stem cell renewal and organ production is required for continued meristem function. The class I KNOTTED-like (KNOX) homeodomain protein SHOOT MERISTEMLESS (STM) acts within t

24、he meristem to promote cell division and suppress differentiation.Endrizzi K et al. Plant J. 10, 967979The CLAVATA (CLV1, CLV2 and CLV3) and WUSCHEL (WUS) proteins act in a second pathway to maintain a specified number of stem cells within the meristem.M.K. Barton / Developmental Biology 341 (2021) 95113ANT, AIL6/PLT3 and AIL7/PLT7 encode relate