Transcriptional corepressor ASP1 and CLV-like signaling regulate meristem maintenance in rice

First author: Chie Suzuki; Affiliations: The University of Tokyo (东京大学): Tokyo, Japan

Corresponding author: Hiro-Yuki Hirano

Stem cell homeostasis is maintained by the WUSCHEL-CLAVATA (WUS-CLV) negative feedback loop in Arabidopsis (Arabidopsis thaliana). In rice (Oryza sativa), FLORAL ORGAN NUMBER2 (FON2) functions in the negative regulation of stem cell proliferation, similar to Arabidopsis CLV3. In this study, through genetic enhancer analysis, we found that loss of function of ABERRANT SPIKELET AND PANICLE1 (ASP1), encoding an Arabidopsis TOPLESS (TPL)-like transcriptional corepressor, enhances the fon2 flower phenotype, which displayed an increase in floral organ number. In the fon2 asp1 double mutant, the inflorescence was severely affected, resulting in bifurcation of the main axis (rachis, 花序轴), a phenotype that has not previously been reported. The stem cells showed marked overproliferation in fon2 asp1, resulting in extreme enlargement and splitting of the inflorescence meristem. These results suggest that ASP1 and FON2 synergistically regulate stem cell maintenance in rice. Unexpectedly, genetic analysis indicated that TILLERS ABSENT1 (TAB1), the rice ortholog of WUS, is not involved in promoting stem cell proliferation in this meristem. Transcriptome analysis suggested that ASP1 and FON signaling negatively regulate a set of genes with similar functions, and they act on these genes in concert. Taken together, our results suggest that TPL-like corepressor activity plays a crucial role in meristem maintenance, and that stem cell proliferation is properly maintained via the cooperation of ASP1 and FON2.

在拟南芥中，干细胞的内稳态是由WUS-CLV负反馈调节所维持的。在水稻中，FON2作用于干细胞增殖的负调控，是拟南芥CLV3在水稻中的直系同源基因。在本文中，作者通过遗传学的证据显示一个编码拟南芥类TPL转录辅阻遏子的基因ASP1的功能缺失会增强fon2突变体的花的表型，即花器官的数量会增加。在fon2 asp1双突变体中，花序被严重影响，会导致花序轴的分叉，这种表型在之前的研究中还未曾报道过。同时fon2 asp1双突变体的干细胞过度增殖，导致花序分生组织的极端扩大和分裂。这些研究结果说明ASP1和FON2协同调控水稻干细胞的维持。令人意想不到的是，遗传学证据显示水稻中WUS的同源基因TAB1并不参与该分生组织中干细胞增殖的促进。转录组分析显示ASP1和FON信号负调控一类有着类似功能的基因，并且他们共同作用于这些基因。综上，本文的研究显示类TPL辅阻遏子活性在分生组织维持中扮演着重要作用，同时水稻通过ASP1和FON2基因的协同作用正确维持干细胞的增殖。

Background

植物发育依赖于茎尖分生组织（Shoot Apical Meristem, SAM）的活性，而SAM则是尖端包含一群干细胞（stem cell）的特殊区域。这些干细胞会通过增殖进行自我更新，同时产生新的细胞用于器官分化（Ha et al., 2010; Aichinger et al., 2012; Somssich et al., 2016）。营养器官SAM会分化出叶原基，而叶原基在植株接受到开花信号进入生殖生长后会发育形成花絮分生组织。花絮分生组织要么直接起始花分生组织，从而进一步分化形成花器官；亦或形成中间类型的分生组织，比如分枝或花穗分生组织（Tanaka et al., 2013; Hirano et al., 2014）。在每个分生组织中，干细胞自我更新和器官/分生组织分化之间的动态平衡对于植株的正常发育十分重要。

在拟南芥中，WUSCHEL-CLAVATA（WUS-CLV）负反馈环是SAM中维持干细胞的基础机制（Brand et al., 2000; Schoof et al., 2000; Ha et al., 2010; Aichinger et al., 2012; Somssich et al., 2016）。CLV3多肽由干细胞分泌，能够被CLV1、CLV2以及类受体蛋白激酶RLPK2等多个受体感知（Clark et al., 1997; Fletcher et al., 1999; Müller et al., 2008; Kinoshita et al., 2010），从而传递出信号负调控一个编码同源结构域转录因子的WUS基因的表达（Mayer et al., 1998）。WUS在干细胞区域下方的组织中心（organizing center）中表达，并且通过WUS蛋白的自我移动在干细胞中非细胞自主地发挥功能（Mayer et al., 1998; Yadav et al., 2011）。WUS能够通过与细胞分裂素的共同作用，正向调控干细胞的增殖，并且激活CLV3的表达（Leibfried et al., 2005; Gordon et al., 2009; Yadav et al., 2011; Chickarmane et al., 2012）。这种CLV信号转导与WUS之间的负反馈循环调控了分生组织中的干细胞内稳态。

拟南芥中CLV-WUS的遗传机制在其他植物中比较保守，比如水稻和玉米（Tanaka et al., 2014; Somssich et al., 2016）。在水稻中，花器官数量基因FON1和FON2分别是拟南芥CLV1和CLV3的同源基因，在水稻生殖生长中负调控分生组织的维持（Suzaki et al., 2004, 2006）。无论是FON1或是FON2的功能缺失均能导致花分生组织的扩大，导致雌蕊和雄蕊等花器官数量的增加。FON2基因在花分生组织的顶端区域表达，该区域可能就是水稻花分生组织中的干细胞区域，并且FON2基因的表达区域在fon1突变体中有所扩大。过表达FON2基因会导致野生型水稻花分生组织维持的失败，正好相反，fon1突变体对于FON2基因的过表达不敏感（Suzaki et al., 2006）。因此，水稻中FON2通过FON1作为干细胞增殖的负调控因子发挥作用，与拟南芥中的CLV3功能类似。FCP1和FCP2是FON2的两个近缘旁系同源基因，这两个基因会在营养生长阶段通过抑制WOX4的表达在SAM的维持中发挥作用（Ohmori et al., 2013）。相反，水稻中WUS的直系同源基因TAB1在腋生分生组织的起始中非常重要，但并不参与成熟分生组织的维持（Tanaka et al., 2015）。

在玉米中，CLV1和CLV2的直系同源基因THICK TASSEL DWARF1和FASCIATED EAR2（FEA2）负调控分生组织的维持（Taguchi-Shiobara et al., 2001; Bommert et al., 2005; Somssich et al., 2016）。最近有研究报道玉米中的FCP1基因同样作用于分生组织的维持（Je et al., 2016, 2018）。ZmFCP1在器官原基中表达，被认为由一个新的CLV-相关LRR类受体蛋白FEA3所感知。Je et al.（2016）同样显示类似于FCP1/FEA3的通路在拟南芥中同样存在。

水稻通常只有一个圆锥花序，包含一个花序轴，初级和次级分枝以及花穗。在花序发育过程中，花序分生组织会其实初级分枝分生组织的形成，继而起始次级分枝和花穗分生组织的形成。水稻的花器官包括数个浆片和雄蕊以及一个雌蕊，这些组织都是从花分生组织分化而来，而花分生组织则是由花穗分生组织转变而来。ASP1、APO1/SCM2、RFL/APO2、DEP1/DENSE PANICLE1、TONGARI-BOUSH1-3、LAX1、LAX2、OsCKX2、OsSPL14以及TAW1等基因的功能缺失或获得突变体能够导致花序变小或者变大（Komatsu et al., 2003; Ashikari et al., 2005; Ikeda et al., 2007; Rao et al., 2008; Huang et al., 2009; Jiao et al., 2010; Miura et al., 2010; Ookawa et al., 2010; Tabuchi et al., 2011; Ikeda-Kawakatsu et al., 2012; Yoshida et al., 2012, 2013; Tanaka et al., 2017）。这些基因大多与分生组织的活性和命运相关。与这些基因不同，FON1或者FON2基因的功能缺失突变体并不会导致花序结构明显的缺陷。

TPL和四个TPL-Related基因：TPR1-TPR14编码转录辅阻遏子，在植物的发育中发挥重要作用，比如拟南芥的胚胎和花模式建成，tpl tpr1 tpr3 tpr4四突变体中TPR2基因的RNA沉默会导致茎端转变成根端（Long et al., 2002, 2006; Krogan et al., 2012）。这些基因对于生长素、茉莉酸以及油菜素内酯等植物激素的信号转导同样重要（Szemenyei et al., 2008; Pauwels et al., 2010; Oh et al., 2014; Ryu et al., 2014）。TPL和TPRs辅阻遏子并没有DNA结合基序，但能够与转录因子进行物理互作，通过招募组蛋白去乙酰化酶能够沉默许多靶基因（Long et al., 2006; Causier et al., 2012）。TPL和TPR4能够与WUS蛋白物理互作，并且这种互作对于分生组织的维持是必需的（Kieffer et al., 2006）。此外，WUS基因能够调控分生组织中TPL基因以及一些TPRs基因的表达（Busch et al., 2010）。除了以上的研究报道，对于单个TPL/TPR基因是如何作用于干细胞的维持还不清楚，这可能是由于拟南芥中这些基因存在较高程度的遗传功能冗余。

水稻中包括ASP1在内一共只有三个类TPL基因，说明相对于拟南芥，水稻中的TPL基因具有更低的功能冗余（Yoshida et al., 2012）。确实，asp1单突变体对于花序结构和花发育就已经有了多种缺陷，作者在之前的研究中曾揭示ASP1基因在生殖生长阶段的分生组织命运调控方面发挥重要作用（Yoshida et al., 2012）。在玉米中，一个类TPL基因REL2的突变会增强ral突变体花序的高度分枝表型（Gallavotti et al., 2010）。REL2通过与一个含有C2H2类型锌指基序的转录因子RA1的物理互作调控腋生分生组织的命运。

尽管水稻中已经鉴定了一些参与WUS-CLV-like通路的基因（Suzaki et al., 2004, 2006, 2008, 2009; Ohmori et al., 2013），但我们对于水稻中分生组织维持潜在的遗传调控机制还未理解透彻。为了进一步研究这些机制，作者利用遗传学方法鉴定了一个功能缺失能够增强fon2突变体花表型的基因。作者发现，ASP1的功能缺失突变能够增强fon2突变体的花表型。另外，fon2 asp1双突变体表现出一个明显的花序表型，即花序轴的分叉，这是由花序分生组织的极度扩大所导致的，说明FON2和ASP1对于花和花序分生组织中干细胞增殖的负调控是必需的。转录组分析显示FON2和ASP1极有可能负调控一套相同的基因，比如与转录调控相关的基因。最后，遗传学的分析显示水稻WUS同源基因TAB1并不参与fon2 asp1双突变体干细胞的过度增殖。

通讯：Hiro-Yuki Hirano（https://www.s.u-tokyo.ac.jp/en/people/hirano_hiroyuki/）

研究方向：单子叶植物的干细胞维持、花发育和叶形态建成。

doi: https://doi.org/10.1104/pp.19.00432

Journal: Plant Physiology

First Published: May 11, 2019