遭遇逆境时，植物如何阻断细胞分裂，停止生长？

来源：BioArt植物

在农业生产中，环境波动往往导致作物减产，这是因为植物在遭遇非生物胁迫时，会暂时性抑制细胞增殖，集中能量用于抗逆，以实现对环境的适应。DNA损伤、高温和干旱等均会引发细胞周期的停滞。

在DNA损伤引发的细胞周期停滞中，DNA双链断裂和单链断裂首先分别激活激酶ATM（ATAXIA TELANGIECTASIA MUTATED）和ATR（ATM AND RAD3-RELATED）。在动物中，ATM通过磷酸化CHK2激酶，经由转录因子P53、p21等，最终使细胞周期停滞在G1/S期；ATR通过磷酸化CHK1激酶，经由磷酸酶CDC25，最终使细胞停滞在G2/M期。植物对逆境的响应机制与动物不同，在植物基因组中包含ATM和ATR的同源蛋白，却缺少有功能的CHK1/2、p53、p21和CDC25的同源蛋白。

NAIST（Nara Institute of Science and Technology, Japan）的Masaaki Umeda课题组前期研究表明，在开花植物拟南芥中，ATM和ATR激活植物特异的转录因子SOG1（SUPPRESSOR OF GAMMA RESPONSE 1），而SOG1调控了几乎所有受DNA损伤诱导的下游基因，使细胞周期停滞在G2期【1】。该团队的另一研究发现，DNA损伤信号稳定了转录抑制因子Rep-MYBs，积累的Rep-MYBs通过抑制 G2/M特异基因的表达，也使细胞周期停滞在G2期【2】，但其上游的调控通路尚待解析。

随着研究的深入，Umeda团队发现转录因子ANAC044和ANAC085在SOG1的直接下游、Rep-MYBs的上游，通过促进Rep-MYBs的积累，正调控DNA损伤和高温胁迫引发的细胞周期在G2阶段的停滞。相关研究成果以 A regulatory module controlling stress-induced cell cycle arrest in Arabidopsis 为题发表在eLife 期刊上。

在前期研究中，为解析SOG1下游的信号通路，Umeda课题组通过微阵列分析（microarray analysis）和染色质免疫共沉淀（chromatin immunoprecipitation (ChIP)-sequencing）技术，在拟南芥基因组中鉴定到146个SOG1的直接靶基因，其中便包括在进化上和SOG1亲缘关系最近的转录因子ANAC044和ANAC085【3】。

最新研究结果表明，当细胞受博来霉素（bleomycin）诱导产生DNA断裂损伤时，SOG1结合到ANAC044和ANAC085的启动子区域，促进它们的表达，进而引发细胞周期停滞；相应的，ANAC044或ANAC085突变后，细胞对博来霉素引发的DNA损伤不敏感。进一步分析证明，ANAC044和ANAC085并不参与DNA损伤修复，而是通过阻止细胞由G2期进入分裂期来产生DNA损伤响应。

Rep-MYBs响应DNA损伤在细胞中积累，最终也是引起细胞周期停滞在G2期。在anac044 和anac085突变体中，博来霉素引发的DNA损伤不能正常诱导Rep-MYBs积累，表明ANAC044和ANAC085可能在Rep-MYBs上游发挥作用。

除了DNA损伤外，高温、干旱等其他逆境也会诱导植物细胞停止分裂。其中高温引起细胞周期停滞在G2期，而高渗诱导细胞停滞在G1期。为探索ANAC044/085功能的广谱性，研究人员用不同的高温和渗透胁迫处理细胞，发现ANAC044和ANAC085还介导了高温诱导的细胞周期停滞，却不影响高渗诱导的响应。此外，该团队的初步分析表明，冷胁迫和盐胁迫也会诱导ANAC044的表达上调。这些结果暗示着，ANAC044 和 ANAC085可能在不同胁迫引发的细胞周期在G2阶段的停滞中，扮演“信号枢纽”的关键角色。

在理论层面上，该研究完善了我们对植物细胞周期调控机制的认识，而在应用层面上，ANAC044 和 ANAC085突变后，细胞在面临DNA损伤或高温胁迫时，仍可维持分裂活动，这一特性使ANAC044 和 ANAC085有望成为作物育种的潜在靶点。