植物維管組織構成了維管植物體內負責物質運輸與機械支撐的組織系統(tǒng)，使得水分、礦物質和有機養(yǎng)料能夠在植物體內快速運輸和分配，對植物的生長發(fā)育及環(huán)境響應均起著重要作用。維管組織包括木質部（Xylem，Xy）和韌皮部（Phloem，Ph），由原形成層和形成層（Cambium，Ca）分化而來，并形成特定的組織模式。此前的研究構建了以植物激素和轉錄因子為核心的植物維管組織發(fā)育調控網(wǎng)絡，而對于表觀遺傳因子在維管組織發(fā)育中的作用機制仍不清楚。多梳抑制復合體2（Polycomb repressive complex 2，PRC2）作為多梳蛋白家族（Polycomb group，PcG）成員，負責組蛋白H3第27位賴氨酸的三甲基化修飾（H3K27me3），其參與植物生長發(fā)育階段轉換、花器官身份維持、胚乳和胚胎發(fā)育等生物學過程。然而，PRC2組分之間存在功能冗余，且多重或純合突變體出現(xiàn)致死或嚴重的生長發(fā)育缺陷，對于研究其對植物維管組織發(fā)育的調控造成了很大的困難。因此，對于PRC2如何影響植物維管組織模式建立及其調控機制仍缺乏深入了解。

2025年8月8日，北京大學現(xiàn)代農學院、北京大學-清華大學生命科學聯(lián)合中心周岳課題組與基因功能研究與操控全國重點實驗室、北京大學生命科學學院賀新強課題組在The Plant Cell上在線發(fā)表了題為“PRC2 regulates cytokinin and HD-ZIP III pathways to orchestrate vascular tissue pattern formation in Arabidopsis”的研究論文，揭示了PRC2通過細胞分裂素和HD-ZIP III轉錄因子家族調控擬南芥下胚軸維管組織模式建立的作用機制。

周岳課題組與賀新強課題組通過組織特異基因敲除技術（Tissue-specific knockout, TSKO）創(chuàng)制了PRC2成員FIE（FERTILIZATION INDEPENDENT ENDOSPERM）的維管組織特異性敲除突變體WOX14pro: FIE-KO，研究發(fā)現(xiàn)FIE突變后會在韌皮部薄壁組織區(qū)域內形成異位維管束（Ectopic vascular bundles，ectoVB）和維管柱（Ectopic vascular cylinders，ectoVC），同時木質部中網(wǎng)紋/孔紋導管以及纖維的分化過程受阻。轉錄組測序（RNA-seq）和染色質免疫沉淀 （ChIP）分析結果表明，FIE直接調控細胞分裂素生物合成基因IPT1/3/5/7（ISOPENTENYLTRANSFERASE1/3/5/7）的H3K27me3水平，從而抑制其轉錄，并調控下胚軸中細胞分裂素的空間分布和響應。通過遺傳回補試驗干擾細胞分裂素的生物合成或信號轉導，能夠部分抑制FIE敲除后下胚軸中的維管發(fā)育缺陷。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)木質部發(fā)育核心調控基因 HD-ZIP III家族轉錄因子作用于 FIE-IPTs下游，且在WOX14pro: FIE-KO中過表達HD-ZIP III家族成員ATHB8（ARABIDOPSIS HOMEOBOX GENE 8）也能部分恢復維管組織發(fā)育表型。

綜上所述，本研究揭示了PRC2及其下游信號通路在維管組織模式建立中的核心調控機制，并拓展了組織特異性敲除技術在植物發(fā)育生物學中的應用。

圖1 FIE調控擬南芥下胚軸維管組織模式建立的作用機制模型

 

北京大學生命科學學院博士生張羽飛、北京大學生命科學學院已畢業(yè)研究生黃潤洲、北京大學現(xiàn)代農學院博士后楊婷婷為本文共同第一作者，北京大學現(xiàn)代農學院周岳研究員和北京大學生命科學學院賀新強教授為本文共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金、生物育種科技創(chuàng)新2030-重大項目、中國科學院青年交叉團隊、中國博士后科學基金資助項目、基因功能研究與操控全國重點實驗室、北京大學生命科學學院、北京大學現(xiàn)代農學院、北京大學-清華大學生命科學聯(lián)合中心的資助。北京大學生命科學學院公共儀器中心和鳳凰工程蛋白質平臺提供了技術支持。

 

論文鏈接：

https://academic.oup.com/plcell/advance-article/doi/10.1093/plcell/koaf194/8228529