细胞分裂素通过miR172及其靶基因调控植物营养生长时相转变

Mol Plant植物科学开花植物在过渡到生殖生长之前，会经历营养生长的幼年和成年阶段。

营养生长期的转变从植物形态上的变化包括叶片大小和长宽比的增加、叶片边缘锯齿状态的增加、叶子背面毛状体的出现等。

10月5日，Nature Communications在线发表了来自德国柏林自由大学Thomas Schmülling团队题为“Cytokinin regulates vegetative phase change in Arabidopsis thaliana through the miR172/TOE1-TOE2 module”的研究论文。

该文系统揭示了细胞分裂素依赖于miR172及其靶基因TOE1和TOE2调控拟南芥营养生长时相转变的分子机制。

为揭示细胞分裂素在植物营养生长时相转变中的功能作用和分子机制，（1）作者首先分析了多种CK突变体的叶片组成和锯齿形态，发现CK含量较低的突变体具有大量幼年特征的叶片，而CK信号增强的植物则表现出相反趋势；CK丰度较高的基因型更早过渡到成年期，而降低CK丰度则会使幼年期延长（图1）。

以上表明CK对拟南芥从幼年期向成年期的转换具有正面作用。

（2）作者发现只有当tZ型CK的生物合成或转运受到影响时才观察到植物营养相变的延迟，而cZ型CK缺乏植株的表型与野生型相似。

（3）基于对CK生物合成和受体的突变体分析，发现叶片中CK合成的缺失不会影响植物时相转变，受体AHK2和AHK3共同参与CK调控的植物时相转变，突变体ahk2 ahk3表现出延长的幼年期。

（4）作者还分析了作用于受体下游参与CK信号转导的ARR1、ARR2、ARR10、ARR11、ARR12等5个基因的突变体，以及它们之间的双重和三重突变体。

结果发现，所有单突变体和双重突变体的幼叶数量与野生型一致，而只有三重突变体arr1,10,12产生了更多的幼叶。

以上结果表明，tZ型CK直接调控植物时相转变，而CK受体AHK2、AHK3以及信号转导因子ARR1、ARR10 和 ARR12在该过程中发挥重要作用。

图1 细胞分裂素在拟南芥中以不依赖光周期的方式促进幼年期向成年期的时相转变植物营养生长相变主要受两种 microRNA的相反作用调节，即抑制性miR156和促进性miR172以及它们各自的靶基因。

（1）为探究CK信号与miRNA156在调控时相转换中的联系，基于对一系列CK突变体及外源CK处理，作者发现细胞分裂素对拟南芥幼年期到成年期转换的影响并不直接依赖miR156，而细胞分裂素处理也没有显著影响miR156及其靶基因SPL的转录水平，但miR156对营养生长期的时相转变调控需要CK信号转导。

（2）在分析CK与miR172的相互作用时，发现CK处理会诱导MIR172A和 MIR172B的转录水平迅速增加，而在CK突变体中的miR172表达水平变化与CK丰度协调一致。

与此同时，MIR172B的过表达可以使CK受体突变体ahk2-5 ahk3-7时相转化延迟的现象恢复正常。

（3）为深入揭示miR172与CK在调控时相转换中的联系，作者进一步分析了miR172靶基因SMZ、SNZ、TOE1、TOE2、TOE3等与CK之间的相互作用。

结果发现，smz突变及smz snz双重突变会使CK受体突变体ahk2 ahk3叶片更快进行时相转变而进入成年期，而toe1或toe2的突变也使ahk2 ahk3的时相转换提前。

基于本文研究结果，作者提出了细胞分裂素参与植物时相转变的调控模型（图2）：tZ型CK激活受体AHK2和AHK3以及B型反应调节因子 ARR1、ARR10和ARR12，而ARR和SPL可以进一步激活miR172，激活的miR172通过抑制靶基因TOE1和TOE2从而实现植物从幼年到成年营养期的过渡。

图2 细胞分裂素调节植物营养时相转变的工作模型植物科学最前沿，专注于植物科学前沿进展、资讯、招聘信息的发布及方法软件共享等。