Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Các đột biến trong con đường sinh tổng hợp tetrapyrrole làm tách rời sự biểu hiện nhân WUSCHEL khỏi sự phát triển chồi de novo ở Arabidopsis
Tóm tắt
Sự sinh tổng hợp tổ chức chồi de novo trong hệ thống nuôi cấy mô đã được khai thác từ lâu để nghiên cứu tính linh hoạt của khả năng đa năng. Việc áp dụng bên ngoài tỷ lệ cytokinin cao so với auxin trong môi trường nuôi cấy kích thích quá trình xanh hóa của mô và thúc đẩy hình thành meristem chóp chồi (SAM) mới. Vùng tế bào gốc trong SAM được duy trì bởi một vòng phản hồi tiêu cực giữa tín hiệu CLAVATA và WUSCHEL (WUS). Thực tế rằng cytokinin có khả năng kích thích sự biểu hiện của yếu tố điều hòa chính của SAM, WUS, cho thấy khả năng phát triển chồi de novo chủ yếu phụ thuộc vào hoạt động của WUS. Tuy nhiên, cơ chế phân tử của sự biểu hiện WUS vẫn chưa được làm rõ. Ở đây, chúng tôi phát hiện rằng sự biểu hiện WUS trong quá trình hình thành SAM de novo bị ảnh hưởng bởi sự chuyển hóa tetrapyrrole được điều chỉnh trong plastid. Các đột biến mất chức năng ở HEME OXYGENASE/LONG HYPOCOTYL 1 (hy1), Mg-CHELATASE H (chlh), Mg-CHELATASE I1 (chli1), và yếu tố điều hòa Mg-CHELATASE, GENOME-UNCOUPLED 4 (gun4), dẫn đến sự biểu hiện WUS tăng cao nhưng hiệu quả tái sinh chồi lại giảm, trong khi đột biến mất chức năng ở PROTOPORPHYRIN IX FERROCHELATASE 2 (fc2) làm giảm sự biểu hiện WUS với số lượng chồi giảm khi các mẫu thí nghiệm rễ đột biến được nuôi cấy trên môi trường induc chồi. Kết quả di truyền của chúng tôi cho thấy rằng sự biểu hiện WUS trong nhân bị ảnh hưởng bởi các trung gian tetrapyrrole dưới trạng thái plastid khác nhau được kích thích bởi việc điều trị cytokinin bên ngoài trong quá trình sinh tổng hợp tổ chức de novo. Chúng tôi đề xuất cơ chế điều hòa mới cho việc biểu hiện WUS trong nhân, có khả năng được điều chỉnh bởi các trung gian tetrapyrrole dưới trạng thái plastid khác nhau được kích thích bởi việc điều trị cytokinin bên ngoài trong quá trình sinh tổng hợp tổ chức de novo.
Từ khóa
#Arabidopsis #de novo organogenesis #WUSCHEL #cytokinin #tetrapyrrole biosynthesisTài liệu tham khảo
Atta R, Laurens L, Boucheron-Dubuisson E, Guivarc’h A, Carnero E, Giraudat-Pautot V, Rech P, Chriqui D (2009) Pluripotency of Arabidopsis xylem pericycle underlies shoot regeneration from root and hypocotyl explants grown in vitro. Plant J 57:626–644
Chan KX, Phua SY, Crisp P, McQuinn R, Pogson BJ (2016) Learning the languages of the chloroplast: retrograde signaling and beyond. Annu Rev Plant Biol 67:25–53
Cheng J, He CX, Zhang ZW, Xu F, Zhang DW, Wang X, Yuan S, Lin HH (2011) Plastid signals confer Arabidopsis tolerance to water stress. Z Naturforsch C 66:47–54
Chory J, Reinecke D, Sim S, Washburn T, Brenner M (1994) A role for cytokinins in de-etiolation in Arabidopsis (det mutants have an altered response to cytokinins). Plant Physiol 104:339–347
Cortleven A, Marg I, Yamburenko MV, Schlicke H, Hill K, Grimm B, Schaller GE, Schmulling T (2016) Cytokinin regulates the etioplast-chloroplast transition through the two-component signaling system and activation of chloroplast-related genes. Plant Physiol 172:464–478
Furuta K, Kubo M, Sano K, Demura T, Fukuda H, Liu YG, Shibata D, Kakimoto T (2011) The CKH2/PKL chromatin remodeling factor negatively regulates cytokinin responses in Arabidopsis calli. Plant Cell Physiol 52:618–628
Huang YS, Li HM (2009) Arabidopsis CHLI2 can substitute for CHLI1. Plant Physiol 150:636–645
Inoue T, Higuchi M, Hashimoto Y, Seki M, Kobayashi M, Kato T, Tabata S, Shinozaki K, Kakimoto T (2001) Identification of CRE1 as a cytokinin receptor from Arabidopsis. Nature 409:1060–1063
Kubalová I, Ikeda Y (2017) Chlorophyll measurement as a quantitative method for the assessment of cytokinin-induced green foci formation in tissue culture. J Plant Growth Regul 36:516–521
Larkin RM (2016) Tetrapyrrole signaling in plants. Front Plant Sci 7:1586. https://doi.org/10.3389/fpls.2016.01586
Larkin RM, Alonso JM, Ecker JR, Chory J (2003) GUN4, a regulator of chlorophyll synthesis and intracellular signaling. Science 299:902–906
Lee DK, Parrott DL, Adhikari E, Fraser N, Sieburth LE (2016) The mobile bypass signal arrests shoot growth by disrupting shoot apical meristem maintenance, cytokinin signaling, and WUS transcription factor expression. Plant Physiol 171:2178–2190
Li W, Liu H, Cheng ZJ, Su YH, Han HN, Zhang Y, Zhang XS (2011) DNA methylation and histone modifications regulate de novo shoot regeneration in Arabidopsis by modulating WUSCHEL expression and auxin signaling. PLoS Genet 7:e1002243. https://doi.org/10.1371/journal.pgen.1002243
Meng WJ, Cheng ZJ, Sang YL, Zhang MM, Rong XF, Wang ZW, Tang YY, Zhang XS (2017) Type-B Arabidopsis response regulators specify the shoot stem cell niche by dual regulation of WUSCHEL. Plant Cell 29:1357–1372
Miller C, Skoog F, Von Saltza M, Strong F (1955) Kinetin, a cell division factor from deoxyribonucleic acid. J Am Chem Soc 77:1392
Mochizuki N, Brusslan JA, Larkin A, Nagatani A, Chory J (2001) Arabidopsis genomes uncoupled 5 (GUN5) mutant reveals the involvement of Mg-chelatase H subunit in plastid-to-nucleus signal transduction. Proc Natl Acad Sci USA 98:2053–2058
Mochizuki N, Tanaka R, Tanaka A, Masuda T, Nagatani A (2008) The steady-state level of Mg-protoporphyrin IX is not a determinant of plastid-to-nucleus signaling in Arabidopsis. Proc Natl Acad Sci USA 105:15184–15189
Motte H, Vercauteren A, Depuydt S, Landschoot S, Geelen D, Werbrouck S, Goormachtig S, Vuylsteke M, Vereecke D (2014a) Combining linkage and association mapping identifies receptor-like protein kinase1 as an essential Arabidopsis shoot regeneration gene. Proc Natl Acad Sci USA 111:8305–8310
Motte H, Vereecke D, Geelen D, Werbrouck S (2014b) The molecular path to in vitro shoot regeneration. Biotechnol Adv 32:107–121
Ogas J, Cheng JC, Sung ZR, Somerville C (1997) Cellular differentiation regulated by gibberellin in the Arabidopsis thaliana pickle mutant. Science 277:91–94
Perianez-Rodriguez J, Manzano C, Moreno-Risueno MA (2014) Post-embryonic organogenesis and plant regeneration from tissues: two sides of the same coin? Front Plant Sci 5:219. https://doi.org/10.3389/fpls.2014.00219
Peter E, Grimm B (2009) GUN4 is required for posttranslational control of plant tetrapyrrole biosynthesis. Mol Plant 2:1198–1210
Skoog F, Miller CO (1957) Chemical regulation of growth and organ formation in plant tissues cultured in vitro. Symp Soc Exp Biol 11:118–130
Sugimoto K, Jiao Y, Meyerowitz EM (2010) Arabidopsis regeneration from multiple tissues occurs via a root development pathway. Dev Cell 18:463–471
Susek RE, Ausubel FM, Chory J (1993) Signal transduction mutants of Arabidopsis uncouple nuclear CAB and RBCS gene expression from chloroplast development. Cell 74:787–799
Tanaka R, Kobayashi K, Masuda T (2011) Tetrapyrrole metabolism in Arabidopsis thaliana. Arabidopsis Book 9:e0145. https://doi.org/10.1199/tab.0145
Tsuzuki T, Takahashi K, Inoue S, Okigaki Y, Tomiyama M, Hossain MA, Shimazaki K, Murata Y, Kinoshita T (2011) Mg-chelatase H subunit affects ABA signaling in stomatal guard cells, but is not an ABA receptor in Arabidopsis thaliana. J Plant Res 124:527–538
Valvekens D, Montagu MV, Van Lijsebettens M (1988) Agrobacterium tumefaciens-mediated transformation of Arabidopsis thaliana root explants by using kanamycin selection. Proc Natl Acad Sci USA 85:5536–5540
Vandesompele J, De Preter K, Pattyn F, Poppe B, Van Roy N, De Paepe A, Speleman F (2002) Accurate normalization of real-time quantitative RT-PCR data by geometric averaging of multiple internal control genes. Genome Biol 3:0034
Woodson JD, Perez-Ruiz JM, Chory J (2011) Heme synthesis by plastid ferrochelatase 1 regulates nuclear gene expression in plants. Curr Biol 21:897–903
Zhang TQ, Lian H, Zhou CM, Xu L, Jiao Y, Wang JW (2017) A two-step model for de novo activation of WUSCHEL during plant shoot regeneration. Plant Cell 29:1073–1087
Zhao X, Bramsiepe J, Van Durme M, Komaki S, Prusicki MA, Maruyama D, Forner J, Medzihradszky A, Wijnker E, Harashima H, Lu Y, Schmidt A, Guthorl D, Logrono RS, Guan Y, Pochon G, Grossniklaus U, Laux T, Higashiyama T, Lohmann JU, Nowack MK, Schnittger A (2017) Retinoblastoma Related1 mediates germline entry in Arabidopsis. Science. https://doi.org/10.1126/science.aaf6532