細胞命運決定是發育生物學的基本問題。植物中細胞命運雖然靈活性較高，但也高度依賴於細胞譜系：即細胞經歷過的狀態決定當前狀態和未來發育潛能。中國科學院遺傳與發育生物學研究所焦雨鈴課題組長期研究植物側生分生組織的形成。側生分生組織位於高等植物葉腋，能夠形成新的生長點，與頂端分生組織具有類似的器官發生能力。形成側生分生組織的幹細胞從何而來？研究組前期工作發現，葉腋處一直維持未徹底分化的幹細胞團，是側生分生組織的前體細胞。這個幹細胞譜系持續表達分生組織標誌基因STM。這個幹細胞譜系如何維持？該研究從正向遺傳篩選突變體入手，經過一系列的分子遺傳學分析，發現STM基因的自激活是維持幹細胞譜系的關鍵。
焦雨鈴研究組通過大量篩選突變體，得到一個側芽起始具有明顯缺陷的突變體，其葉腋處無法維持正常STM表達，葉腋處細胞逐步分化。因此，該突變體中導致表型的ATH1基因是維持STM表達和脫分化細胞狀態的關鍵基因。
ATH1基因編碼的轉錄因子，與STM所編碼的轉錄因子存在蛋白互作。隨後一系列分子生化實驗表明，ATH1可以直接結合STM基因位點，並且ATH1對STM基因的激活作用顯著依賴於STM蛋白本身。基於上述結果，得到一個依賴於ATH1蛋白的STM自激活調控迴路。在STM自激活調控中，ATH1蛋白具有DNA結合作用，STM蛋白具有轉錄激活作用，ATH1-STM以複合體形式實現STM自激活調控。進一步研究發現，STM的表達維持STM位點的染色質處於開放狀態，使得在後續發育中STM的表達能夠進一步激活，從而形成側生分生組織。
該研究揭示並詳細闡釋了一種通過關鍵基因的自激活維持幹細胞譜系的調控迴路，對於動植物中分生組織命運維持的機制研究具有很好的借鑑意義。同時，側生分生組織活性研究對農作物產量提升也具有理論指導意義。
該成果於4月2日正式發表於Current Biology雜誌，文章標題為A self-activation loop maintains meristematic cell fate for branching。焦雨鈴研究組博士畢業生曹秀衛為該論文的第一作者，焦雨鈴為該論文的通訊作者，王瑨、熊圓圓、楊海變、楊鳴雷、葉佩儀和英國約翰英納斯中心的Sablowski團隊也參與了本研究。該研究得到國家自然科學基金、中科院前沿科學重點研究項目、中科院戰略重點研究項目、英國皇家學會牛頓高級學者項目和中科院-英國約翰英納斯中心植物微生物科學卓越項目資助。
圖：STM自激活維持幹細胞譜系和發育潛能
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