An apical hypoxic niche sets the pace of shoot meristem activity

頂端缺氧微環境設定莖尖分生組織活動節奏

來源：Nature, volume 569, 2019, pages 714-717

《自然》，第569卷，2019年，頁碼714-717

 

摘要

這篇論文研究發現植物莖尖分生組織（SAM）發育在一個低氧微環境中，這種缺氧條件對于調控新葉生產是必需的。研究使用遺傳報告系統和體內氧測量相結合的方法，發現SAM中存在一個缺氧微環境，其缺氧程度與干細胞巢重疊。研究鑒定出LITTLE ZIPPER 2（ZPR2）蛋白作為N-degron通路的底物，在缺氧條件下穩定存在，通過抑制HD-ZIP III轉錄因子活性來調節SAM活動。結果表明氧作為一種可擴散信號，在需氧條件下參與植物干細胞活性控制，空間分布的氧差異影響植物發育。

 

研究目的

研究目的是探究植物莖尖分生組織中的氧環境及其對發育的調控機制，特別是驗證SAM中是否存在生理性缺氧微環境，以及這種低氧條件如何通過分子機制調節分生組織活性和葉器官發生。

 

研究思路

研究思路是使用微型Clark型氧電極測量SAM中的氧濃度分布，結合缺氧誘導基因表達分析和pH響應報告系統驗證SAM的缺氧狀態。通過分子生物學和遺傳學方法鑒定ZPR2作為氧敏感靶標，研究其在N-degron通路下的穩定性調控機制。利用突變體、報告基因和生化分析探究ZPR2與HD-ZIP III轉錄因子的互作關系，最后通過體內外實驗驗證缺氧-ZPR2-HD-ZIP III模塊對SAM活性的調控作用。

 

測量的數據及研究意義

1 SAM氧濃度數據來自圖1a，使用丹麥Unisense微型氧電極測量。研究意義是直接證實SAM中存在顯著的氧濃度梯度，中心區域氧分壓低至約4 mmHg，揭示植物干細胞巢與動物類似，也存在于低氧微環境中，為缺氧調控發育提供直接證據。

 

2 缺氧響應基因表達數據，顯示55%的核心缺氧誘導基因在SAM中顯著高表達。研究意義是表明SAM細胞處于功能缺氧狀態，具有活躍的缺氧信號通路，支持缺氧微環境的生理相關性。

3 pH響應報告基因活性數據，顯示pHRPE報告子在SAM中組成型激活。研究意義是驗證SAM中存在基礎缺氧反應，且該反應能被高氧抑制，證明SAM細胞具有感知和響應氧濃度變化的能力。

4 ZPR2蛋白穩定性數據來自圖2c、2d，顯示ZPR2在缺氧下穩定，依賴PRT6介導的降解。研究意義是鑒定ZPR2作為N-degron通路新底物，建立氧濃度與蛋白穩定性之間的直接分子聯系，揭示氧信號轉導機制。

 

5 葉起始速率數據來自圖1d和圖3d，顯示高氧處理和zpr2突變體葉起始速率降低。研究意義是證明缺氧微環境和ZPR2對維持正常SAM活性是必需的，將氧可用性與器官發生速率直接關聯。

 

6 ZPR2與HD-ZIP III互作數據來自圖4a、4b，顯示ZPR2抑制REV、PHB和ATHB8的轉錄活性。研究意義是闡明ZPR2通過抑制HD-ZIP III轉錄因子調控下游基因表達，將氧信號與已知的發育調控通路整合。

 

 

結論

論文得出結論，植物莖尖分生組織發育在一個生理性缺氧微環境中，這種低氧條件通過N-degron通路穩定ZPR2蛋白，從而抑制HD-ZIP III轉錄因子活性，維持SAM活性和正常葉起始速率。氧作為一種可擴散信號分子，在需氧條件下參與植物干細胞活性調控，表明氧梯度空間分布是影響植物發育的重要因素。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense微型Clark型氧電極測量的數據是SAM中的氧濃度分布（圖1a），研究意義在于首次以高空間分辨率（微米級）直接證實植物莖尖分生組織中存在顯著的氧梯度，中心區域氧分壓低至約4 mmHg，這與動物干細胞巢的缺氧特征相似。這種精確測量揭示了植物干細胞微環境的物理化學特性，為理解缺氧對干細胞維持的進化保守性提供了關鍵證據。電極的高分辨率測量能夠區分SAM不同區域的氧差異，證明缺氧區域與干細胞巢重疊，將氧可用性與干細胞功能直接關聯。這種實時原位測量為研究植物發育中的氧信號提供了可靠方法，證實氧不僅作為代謝底物，更是重要的發育信號分子。