华中农业大学在植物干细胞再生领域研究取得新进展

北京时间2020年8月17日晚23时,植物学期刊Nature Plants(《自然-植物》杂志)在线发表了华中农业大学生命科学技术学院陈春丽副教授课题组与日本国立基础生物学研究所合作的最新研究成果,标题为“DNA damage triggers reprogramming of differentiated cells into stem cells in Physcomitrella”。该研究发现,在早期陆生模式植物小立碗藓中,DNA损伤可以诱导叶片细胞重新编程为干细胞(视频1),并再生出新的植株。该过程不依赖细胞死亡,是一种全新的植物适应胁迫环境的策略。

 

在动物细胞中,大量的DNA损伤通常被认为抑制动物细胞的重编程,因为DNA损伤会导致细胞周期停滞和细胞凋亡等现象。在本文报道的研究中,小立碗藓的叶片细胞被DNA损伤诱导试剂浸泡6小时后,首先会导致基因组DNA链的断裂,随后受损的DNA在一天左右被修复到原先的状态。这一修复过程依赖于DNA损伤响应因子蛋白激酶ATR,但不依赖同为DNA损伤响应因子的蛋白激酶ATM。之后,STEMIN1,一个物理损伤诱导的重编程调节因子被触发工作。STEMIN1积累表达的叶片细胞会重编程再生出绿丝体顶端干细胞,且再生出的绿丝体干细胞可以继续生长发育并形成新的具有茎和叶的完整植株,类似于受精卵。这个结果(图1)也意味着,面对大量的DNA损伤,植物细胞选择重编程产生新的后代。

图1:DNA损伤诱导试剂引起植物叶片细胞不依赖于死细胞重编程为干细胞及其分子机制。标尺:1 mm(a);100 µm(c,d)

图1:DNA损伤诱导试剂引起植物叶片细胞不依赖于死细胞重编程为干细胞及其分子机制。标尺:1 mm(a);100 µm(c,d)

植物不能像动物一样迅速地逃离不利环境。因此,我们会经常看到植物产生伤口后,伤口处的死细胞可以诱导其周围分化的细胞转化为干细胞。然而,这里报道的DNA损伤诱导植物体细胞转变成干细胞的整个过程并不依赖于死细胞,是一个新发现。研究人员提出,该发现应该是一种全新的植物应对逆境的策略。

我校与日本基础生物学研究所联合培养博士生顾南、日本基础生物学研究所助教玉田洋介(Yosuke Tamada)为论文共同第一作者,我校生科院陈春丽副教授和日本基础生物学研究所长谷部光泰(Mitsuyasu Hasebe)教授为论文共同通讯作者。捷克国家科学研究院Karel J. Angelis教授为该研究提供了部分技术支持。该研究受到国家自然科学基金、华中农业大学科技自主创新基金、国家留学基金委和国家级高端外专引智项目等的资助。

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