植物在生长发育过程中要时刻面对复杂的外在环境，包括虫害、动物啃咬践踏等生物胁迫以及风吹雨打等天气环境导致的非生物胁迫。植物生长发育过程就是适应环境的过程，动物可以通过跑动趋利避害而植物只能通过感知外界环境来调节自身去适应环境。在适应过程中，植物再生（Plant Regeneration）是“弊害”的一种体现。动物组织或器官受损后，受损细胞临近的潜在干细胞可以快速移动至损伤处进行分化进而修复损伤细胞，而植物细胞受到细胞壁的限制，则进化出受损细胞附近细胞分裂产生新的细胞来代替受伤细胞的适应机制【1,2】。
再生现象广泛存在于植物中，对植物的生存和繁衍具有重要意义。几类重要植物激素包括生长素、细胞分裂素、脱落酸及乙烯等都参与植物再生过程【3】。损伤是植物再生的必要条件，但是植物受损后产生什么信号进行修复，通过怎样的分子网络精细调控以及具体再生过程在细胞水平是如何体现的。近期发表的三篇文章从不同角度和层次来阐述植物再生这样一个古老而又崭新的研究方向。
4月22日，徐麟课题组在Nature Plants杂志在线发表了题为Jasmonate-mediated wound signalling promotes plant regeneration的研究论文，该文章以拟南芥离体叶片为研究对象，发现离体后2个小时内叶片会产生茉莉酸作为损伤信号激活ETHYLENE RESPONSE FACTOR109(ERF109)，进而上调生长素合成基因ANTHRANILATE SYNTHASE α1(ASA1)，ASA1的调控还依赖于组蛋白H3K36位点的甲基化修饰。2个小时后ERF109的活性会被茉莉酸信号途径中的重要因子JASMONATE-ZIM-DOMAIN(JAZ)所抑制，从而阻止损伤的超敏反应。此论文以离体组织为模式揭示了茉莉酸与生长素协同响应损伤信号调节根从头再生过程（点击查看：Nature Plants | 中科院植生所徐麟研究组揭示植物再生的伤口信号转导机制）。
5月2日，荷兰瓦赫宁根大学分子细胞生物学系Ben Scheres教授团队与遗传与发育生物学研究所李传友研究团队合作在线发表了题为A Jasmonate Signaling Network Activates Root Stem Cells and Promotes Regeneration的研究论文，同时奥地利科学技术研究所Jirí Friml研究团队在线发表题为Re-activation of Stem Cell Pathways for Pattern Restoration in Plant Wound Healing的研究论文，两篇以背靠背形式发表在Cell期刊上。两个研究团队均以拟南芥根尖为研究对象，通过建立了一种通过靶向清除拟南芥根分生组织中的单个细胞或细胞群的方法，并将其与显微镜活体成像相结合揭示植物受损细胞再生的具体过程与分子机制。
Ben Scheres研究团队主要从事拟南芥根系细胞的分化调控，细胞极性，分生组织的功能以及根系发生模型的建立等方面的研究。在前期研究中，已发现茉莉酸可以促进植物根尖Quiescent Center(QC)区细胞的分裂，而且茉莉酸在结构上类似于动物防御调节因子前列腺素【4】，所以猜测茉莉酸是介导植物再生的潜在因素。在该研究中，研究人员首先通过遗传及生理学方法验证了茉莉酸可以通过SCR-RBR-ERF115分子模块从而激活根干细胞组织中心QC的活性。
为了进一步证明茉莉酸参与受伤后再生过程，研究人员通过茉莉酸处理切除小柱干细胞(CSCs)的根尖，发现茉莉酸可以显著促进QC细胞分裂并修复受损的CSCs。证实了茉莉酸作为损伤信号参与根尖干细胞龛(Stem Cell Niche)的再生。此外，茉莉酸可以快速诱导ERF109的表达进而激活CYCD6;1转录以及损伤信号诱导生长素的局部积累，同样可以激活CYCD6;1，激活的CYCD6;1对植物组织的再生起到关键作用。进一步研究结果表明，来自土壤的机械胁迫以及线虫侵害能够激活茉莉酸介导的再生信号途径。该研究通过整合胁迫信号分子茉莉酸以及生长发育因子生长素信号途径，揭示两个激素调控网络参与植物细胞或组织再生过程。
Jirí Friml研究团队研究重点主要在植物面对所处复杂环境后在胚胎发育和胚胎后发育过程中潜在的适应性机制方面。该研究团队采用了涵盖分子生理学、发育和细胞生物学、遗传学、生物化学和数学建模的方法，重点研究生长素转运、细胞极性、内吞循环以及非转录信号调控机制。
在该研究中，研究人员也是采用了根尖作为研究对象，并且使用类似的研究方法。根尖不同类型细胞都源于包裹在QC区周围的干细胞龛，在根尖发育过程中严格遵守干细胞调控原则，最终有序地分化成不同性质和功能的组织【5】。上篇Cell文章中，根尖CSCs作为研究目标，发现CSCs受损可以被临近的细胞产生新的细胞所代替从而被修复。在该研究论文中，研究的目标细胞是已分化的细胞包括侧根发生层(LRC)、表皮层(Ep)、皮层(Co)、内皮层(En)及中柱鞘(P)中细胞。正常生长条件下，根尖中不同类型细胞分裂严格按背斜方向分裂（下图C中方向）。当植物单个细胞被激光精确消除或损伤后，该细胞临近的细胞（主要是受损细胞内侧细胞）被诱导发生平周分裂（下图D-G图箭头方向）。例如，LRC中细胞损伤后，靠近内侧的Ep细胞发生平周分裂；Ep中细胞损伤后，Co细胞发生平周分裂；以此类推。利用遗传学方法以及报告基因分析发现损伤导致的平周细胞分裂不需要已知的平周分裂调控因子及机械响应基因。研究人员把这种损伤引起的细胞分裂现象称为“修复性细胞分裂(Restorative Cell Divisions)”。而且损伤启动的细胞分裂的能力与细胞位置有关，细胞靠近中柱并且离QC位置近的细胞诱导后分裂的能力越强（中柱细胞>内皮层细胞>皮层细胞>表皮层细胞），反之，分裂能力越弱。进一步研究发现，PLETHORA(PLT)可以调节损伤诱发的细胞分裂能力。此外修复性细胞分裂能力可能依赖于PLT的表达，这与PLT在根尖区细胞中表达梯度可能相关。
除了细胞分裂方向（背斜到平周）改变外，修复性细胞分裂过程中细胞周期也被改变。细胞周期的G1期到S期过渡中，进化保守抑制子RBR1的转基因系中RBR1-GFP在临近内侧细胞中被损伤诱导后降低表达，表明G1期到S期对恢复性分裂具有一定作用。接下来，研究人员通过检测G2/M期的两个报告基因pCYCB1;1::GFP和CYCD2;1::CYCD2;1-GFP在修复性分裂产生的子细胞中的表达，表明细胞周期G2期及对修复性细胞分裂的重要性。对累积细胞分裂的量化显示，创伤诱导的修复性分裂发生的速度明显快于常规的增殖性分裂。
以上实验结果表明损伤或破坏的细胞会诱发临近内侧细胞发生分裂产生新的子细胞，那么新的子细胞具有怎样的特性呢？研究人员通过不同类型细胞的特异报告基因标记发现修复性分裂产生的子细胞靠近外侧会逐渐取代损伤的细胞而且表达该损伤细胞层具有特异表达的报告基因，表明修复性细胞分裂产生的子细胞发生了命运的改变最终能够正确修复受损的细胞。进一步研究发现损伤信号是通过重新激活干细胞程序最终决定细胞的命运从而取代被破坏的细胞。总之，该研究通过对不同细胞类型的靶向激光损伤或消除，结合长期的活细胞成像，研究了损伤修复模式机制。该修复模式包括损伤后开始的修复细胞分裂，以及随后重新确定正确的细胞命运，最终导致被淘汰细胞的替换和受伤组织的正确再生。
综上，两组研究人员以拟南芥根尖为模型研究细胞或组织再生，通过精确激光损害特定细胞或细胞群成像并结合长期活体显微观察，证实了细胞损伤后可以发生再生。进一步通过生理实验以及报告基因应用发现茉莉酸可以激活损伤处附近细胞的干细胞潜能，并发生细胞分裂方向改变，产生新的功能细胞代替损伤的细胞。
这三篇关于植物再生的研究从不同研究目标、研究角度以及研究层次，相对全面立体展示了植物特别是根细胞受损后再生过程以及分子机制，为更深入研究植物全能性或多能性提供切入点和研究方法。
参考文献
【1】 Sinnott, E.W., and Bloch, R. (1941). The relative position of cell walls in developing plant tissues.American Journal of Botany28, 607-617.
【2】Hush, J.M., Hawes, C.R., and Overall, R.L. (1990). Interphase Microtubule Reorientation Predicts a New Cell Polarity in Wounded Pea Roots.Journal of Cell Science96, 47-61.
【3】Su, Y.H., and Zhang, X.S. (). The Hormonal Control of Regeneration in Plants.Mechanism of Regeneration108, 35-69.
【4】Mueller, M.J. (1998). Radically novel prostaglandins in animals and plants: the isoprostanes.Chemistry & Biology5, R323-R333.
【5】Berger, F., Haseloff, J., Schiefelbein, J., and Dolan, L. (1998). Positional information in root epidermis is defined during embryogenesis and acts in domains with strict boundaries.Current Biology8, 421-430.
论文链接：
/articles/s41477-019-0408-x
/cell/fulltext/S0092-8674(19)30268-5
/cell/fulltext/S0092-8674(19)30401-5
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