A signal cascade originated from epidermis defines apical-basal patterning of Arabidopsis shoot apical meristems

First author: Han Han; Affiliations: Purdue University (普渡大学): West Lafayette, USA

Corresponding author: Yun Zhou

In multicellular organisms, a long-standing question is how spatial patterns of distinct cell types are initiated and maintained during continuous cell division and proliferation. Along the vertical axis of plant shoot apical meristems (SAMs), stem cells are located at the top while cells specifying the stem cells are located more basally, forming a robust apical-basal pattern. We previously found that in Arabidopsis SAMs, the HAIRY MERISTEM (HAM) family transcription factors form a concentration gradient from the epidermis to the interior cell layers, and this gradient is essential for the stem cell specification and the apical-basal patterning of the SAMs. Here, we uncover that epidermis specific transcription factors, ARABIDOPSIS THALIANA MERISTEM LAYER 1 (ATML1) and its close homolog, define the concentration gradient of HAM in the SAM through activating a group of microRNAs. This study provides a molecular framework linking the epidermis-derived signal to the stem cell homeostasis in plants.

在多细胞生物中，有一个长期存在问题，即不同细胞类型的空间模式是如何起始以及在随后连续的细胞分裂和增殖过程中如何维持的。沿着植物茎尖分生组织（shoot apical meristems, SAMs）的垂直轴，干细胞位于上层，而作用于干细胞特化的细胞则位于干细胞相对向下的位置，形成了一个顶-基轴向模式（apical-basal pattern）。作者先前的研究发现拟南芥茎尖分生组织中，HAM家族转录因子从表皮到内部细胞层形成了一个浓度梯度，并且该浓度梯度对于SAM中干细胞的特化以及顶-基轴向模式的建成是必需的。本文中，作者发现表皮特异性的转录因子ATML1及其近缘同源蛋白通过一类microRNAs决定了SAM中HAM的浓度梯度。本文的研究为植物中源自表皮的信号与干细胞内稳态二者之间的联系提供了一个分子框架。

Background

植物的茎尖分生组织SAM对于植物地上部分的生长和发育是必不可少的部分，而关于SAM中的干细胞稳态的分子调控机制已经有了很深入的研究。其中，HAIRY MERISTEM（HAM）家族GRAS（GAI，RGA和SCR）结构域转录因子在SAM中干细胞的特化和增殖方面发挥重要的作用。HAM家族的HAM1和HAM2能够与WUS互作，并与WUS一起调控下游基因的表达，以维持SAM中干细胞的内稳态（Nature, Zhou Yun et al, 2016）。另外，HAM1和HAM2保证CLV3在内层细胞中的表达关闭，从而建立SAM的顶-基轴向模式以及从头发生的叶腋干细胞龛（Science, Zhou Yun et al, 2018; Current Opinion in Plant Biology, Han Han et al, 2018）。通过计算建模以及后续试验，本文作者先前的研究发现HAM1/2从表皮到SAM深处细胞层之间的表达存在一个浓度梯度，并且该梯度对于SAM中的干细胞内稳态是必需的（Science, Zhou Yun et al, 2018）。然而，对于HAM浓度梯度建成的分子机制还不清楚。

通讯：Yun Zhou (https://ag.purdue.edu/btny/Pages/Profile.aspx?strAlias=zhou750&intDirDeptID=10)

个人简介：2002-2006年，合肥工业大学，学士；2006-2011年，上海有机化学研究所，博士。

研究方向：植物发育过程中茎尖干细胞特性维持与功能。

doi: https://doi.org/10.1038/s41467-020-14989-4

Journal: Nature Communications

Published date: March 05, 2020