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计算模拟辅助阐释侧生器官对干细胞的反馈调控

  干细胞是器官的来源,但器官能否反馈调控干细胞?分化细胞对干细胞的反馈有助于动态维持干细胞的稳态,使干细胞的数量和活性适应内源变化。在动物中,分化细胞通过分泌可扩散的信号分子反馈于干细胞。植物中是否存在反馈调控,在分子水平如何实现反馈调控?

 

  中国科学院遗传与发育生物学研究所焦雨铃研究组与北京大学国际数学研究中心张磊研究组通过学科交叉研究发现了生长素长距离运输在侧生器官对茎尖干细胞的反馈中扮演了重要角色。研究发现,茎尖干细胞区域的生长素含量负调控干细胞平衡,高生长素含量导致干细胞分化加速。计算模拟表明,侧生器官原基外运的生长素能够抑制茎尖的生长素外运,从而维持茎尖生长素浓度的稳态,进而维持干细胞的稳态。遗传分析和显微手术实验验证了模型结论,发现在叶片、花原基发育不良的突变体中或在切除原基后,茎尖干细胞区域生长素外运加强,生长素浓度降低,茎尖干细胞增多。增大的干细胞团进而产生更多侧生器官。该模型解释了侧生器官突变体中茎尖干细胞区域增大,特别是周期性变化的表型。本研究揭示了植物干细胞稳态的维持与动物干细胞的稳态维持在分子水平采取了不同的策略。

 

  该研究结果于2018年1月22日发表于Developmental Cell。焦雨铃研究组博士研究生石碧海(已毕业)和张磊研究组博士研究生郭晓露为该论文共同第一作者,焦雨铃研究员与张磊教授为共同通讯作者。国科大生科院汪颖博士、清华大学周培源应用数学中心雷锦志博士及冈山大学林谦一郎教授也参与了本课题。该研究得到了国家自然科学基金、科技部973项目、中组部“万人计划”等项目和植物基因组学国家重点实验室的资助。

 

  图:生长素运输介导侧生器官反馈调控茎尖干细胞稳态