静止中心细胞静止的生物学意义

The Biological Significance of Quiescence in QC Cells

摘要: 静止中心是高等植物根尖分生组织和其中的干细胞微环境中的组织中心，低细胞分裂活动是其标志性特征。虽然研究发现该特性受到非常严格与精确的调控，但其生物学意义目前并不清楚。本文列举了拟南芥中3个静止中心细胞分裂并不影响根生长发育的例子，旨在引发有兴趣的研究工作者开展进一步研究或进行进一步探讨与思考。

Abstract: The quiescent center (QC) serves as the organizing center in the root apical meristem of higher plants and maintains the stem cell niche. Its hallmark feature is low mitotic activity. Although studies have shown that this characteristic is under strict and precise regulation, its biological significance remains unclear. This article presents three examples in Arabidopsis thaliana where QC cell division does not affect root growth and development, aiming to inspire further research and discussion among interested scientists.

1. 引言

高等植物根系的生长与发育受控于根尖分生组织中的一类特殊细胞群——干细胞微环境(stem cell niche, SCN)。该细胞群包括两种细胞类型：位于中央的静止中心(quiescent center, QC)细胞和分布于其外围的各组织原基细胞(initials)。在模式植物拟南芥中，QC由4~8个有丝分裂活性极低的细胞组成，而周围的原基细胞则环绕排列。研究表明，QC细胞能够分泌特定信号分子，不仅维持邻近组织原基细胞的干细胞特性，还精确调控其分裂与分化的动态平衡。因此，QC被视为SCN及根尖分生组织的组织中心，对根系持续生长发育具有不可替代的调控作用[1]-[6]。QC细胞的一个标志性特征是低的细胞分裂活动，即所谓的“静止”，研究表明该性状是严格调控的结果，但其生物学意义目前还不是特别清楚。

2. 静止中心的功能与调控

静止中心的概念在上世纪50年代提出，但其生物学功能的确定则用了近半个世纪，直到van den Berg等(1997)用激光烧蚀方法在拟南芥根尖分生组织中开展细胞移除的实验[7]。他们发现当拟南芥根尖中的一个QC细胞被移除后，与其直接接触的远端组织原基细胞——柱干细胞(columella stem cell, CSC)会迅速丧失干细胞特性，分化为含淀粉粒的柱细胞(中央根冠细胞)。这一发现证明QC细胞可通过短距离信号传导机制维持CSC的干细胞特性并抑制其分化。后续研究鉴定出该机制中的一个关键调控因子WOX5 (WUSCHEL-RELATED HOMEOBOX 5)，为WUS家族的成员，在QC细胞中特异性表达，并能通过胞间连丝迁移至CSC细胞[6] [8]。功能缺失突变体分析显示，WOX5功能缺失会导致QC细胞分裂和CSC提前分化；反之，WOX5过表达则强烈抑制柱细胞分化，致使QC远端区域积累大量未分化细胞[6]。这些发现揭示了WOX5在QC细胞对其外围的干细胞的调控过程中扮演了非常重要的角色。

QC细胞的一个标志性特征是低细胞分裂活动[3] [4]。有关这一特性形成的底层机制曾经有过多个不同的假设[3] [4]，如位置假说，认为QC细胞的静止特性是由于其所在的位置所决定的；机械压力假说，认为QC细胞的静止特性是由于其周围细胞的机械压力的结果，即周围细胞的机械压力严重限制了QC细胞分裂所需要的空间，从而导致QC细胞的分裂活动受到抑制；营养缺乏假设，认为QC外围组织原基细胞活跃的细胞分裂与代谢活动对营养物质的消耗导致QC细胞营养缺乏而细胞分裂活动受到抑制。上述解说均认为QC细胞的静止特性的形成原因来自于其所在的环境，而近年的遗传与分子生物学证据揭示QC细胞的分裂受到了非常严格与精密的调控，牵涉众多调控因子和非常复杂的调控网络(图1) [3]，是主动调控的结果。目前已知的参与了该调控过程的因子包括多个植物激素，如生长素(auxin)、细胞分裂素(cytokinines, CK)、脱落酸(ABA)、油菜素内脂(BR)、茉莉酸(JA)、水杨酸(SA)、乙烯(C₂H₂)等，和活性氧(ROS)、小肽分子(如CLE40、CLAVATA1等)、WOX5 (WUSCHEL-RELATED HOMEOBOX 5)、PLTs (PLETHORAS)、SHR (SHORTROOT)、SCR (SCARECROW)、ARRs (ARABIDOPSIS RESPONSE REGULATORS)、ARFs (AUXIN RESPONSE FACTORs)、BRAVO (BRASSINOSTEROIDS AT VASCULAR AND ORGANIZING CENTER)、BES1 (BRI1-EMS-SUPPRESSOR 1)、ERF115 (RESPONSE FACTORS 115)、信号肽受体ACR4 (ARABIDOPSIS CRINKLY4、CLV家族信号肽受体)，细胞分化与细胞周期调控因子，如CDF4 (CYCLING DOF FACTOR 4)、RBR (RETINOBLASTOMA-RELATED)、CYCLINs (CYCLIND1;1, CYCLIND3;1, CYCLIND6;1)等(见图1和综述见[3]-[5])。

注：CK：细胞分裂素；ABA：脱落酸；BR：油菜素内脂；JA：茉莉酸；SA：水杨酸；C₂H₂：乙烯；ROS：活性氧；CLE40：CLAVATA3/ESR-related 40；WOX5：WUSCHEL-RELATED HOMEOBOX 5；PLTs：PLETHORAS；SHR：SHORTROOT；SCR：SCARECROW；ARRs：ARABIDOPSIS RESPONSE REGULATORS；ARFs：AUXIN RESPONSE FACTORS；BRAVO：BRASSINOSTEROIDS AT VASCULAR AND ORGANIZING Center；BES1：BRI1-EMS-SUPPRESSOR 1；ERF115：ETHYLENE RESPONSE FACTORS 115；ACR4：ARABIDOPSIS CRINKLY 4；CDF4：CYCLING DOF FACTOR 4；RBR：RETINOBLASTOMA-RELATED；此图参考[3]。

Figure 1. Regulatory network of QC cell division in Arabidopsis thaliana

图1. 拟南芥QC细胞分裂调控网络

3. 静止中心细胞分裂不影响根生长的例子

作为一个受到如此严格调控的特性，QC细胞的静止的生物学意义目前并不十分清楚。有很多证据显示，QC细胞分裂常与根生长发育的抑制或缺陷同时出现，如在乙烯处理的拟南芥根尖，根生长受到严重抑制，同时QC细胞分裂频率显著升高[9]。但由于乙烯在根中不仅促进QC细胞分裂，同时还抑制细胞伸长，因此不容易确定QC细胞分裂是否与根生长抑制间存在直接的因果关系。另外，在很多根生长发育异常的突变体根中，如shr [10]、plt1plt2 [11]等，短根的表型与QC分裂的表型同时出现。由于SHR和PLT蛋白的功能涉及QC之外的其他组织细胞，也无法确定上述突变体中的短根与QC细胞分裂之间的因果关系。

与上述情形相反，有证据显示QC细胞分裂与根生长发育没有直接关系。证据之一来自wox5突变体的表型[7]。WOX5是拟南芥根尖分生组织和干细胞调控网络中的一个关键调控因子，与很多根尖干细胞调控因子存在相互作用。如生长素与WOX5之间存在非常复杂的相互调控：WOX5在静止中心细胞中可通过对生长素合成基因在转录水平的上调增加生长素合成，后者反过来可正向调控WOX5基因的转录，由此形成一个正向反馈调控闭环[12]。此外，WOX5还发现可与PLTs形成蛋白复合体共同调控下游基因表达，而PLTs被认为是介导生长素干细胞调控功能的下游调控元件，其编码基因受生长素调控[11]。WOX5还被认为介导了多个根干细胞调控因子的调控功能，如油菜素内脂、细胞分裂素、CLE40、ROW1等。wox5-1突变体呈现了非常强的QC细胞分裂表型，但在根生长发育方面与野生型对照相比没有任何明显差别，导致对QC细胞静止的生物学功能的疑问。

另一个证据来自bravo突变体的表型[13]。BRAVO编码一个R2R3-MYB转录因子，在维管组织的原基细胞(干细胞)和QC细胞中特异性表达，其转录水平和蛋白含量受油菜素内酯(BRs)的负调控，且调控幅度与油菜素内酯的剂量与处理时间呈现明显剂量关系。功能分析证实BRAVO是拟南芥根SCN中油菜素内酯信号通路的一个细胞特异性调控组分，且能与WOX5结合形成蛋白复合体[13]。与wox5-1突变体相似，bravo突变体也呈现出QC细胞分裂的表型，QC细胞的分裂频率是野生型对照的3倍以上。与wox5突变体中的情况相同，bravo突变体在根生长上与野生型对照无明显差别，表明QC细胞分裂的增加并没有影响根的正常生长。

第3个例子是ABA对QC细胞分裂调控。Zhang等(2010) [14]发现，在ABA生物合成抑制剂氟啶酮处理的拟南芥野生型幼苗的根尖呈现QC细胞分裂增加的表型，添加外源ABA能以剂量依赖方式逆转氟啶酮的影响和恢复QC细胞的静止状态。在不含氟啶酮的对照培养基中，ABA缺陷突变体(aba1-1, aba2-1, aba2-4, aba3-2)和ABA不敏感突变体(abi1, abi3-1, abi5-1)幼苗的根尖中同样出现了QC细胞分裂升高的表型，表明ABA可抑制QC细胞分裂[14]。与上述两个例子中的情况相似，未经氟啶酮处理的ABA生物合成和ABA不敏感突变体幼苗中，尽管QC细胞分裂频率显著升高，但根生长与未经氟啶酮处理的野生型幼苗没有明显差异，表明QC细胞分裂对根生长没有直接的影响。

4. 结语

静止中心细胞在根尖分生组织和根细胞调控中担负非常重要的作用，其低细胞分裂活动是其标志性特征。虽然有大量证据证明该特性受到了严格和精准的调控，但其生物学意义目前还不是十分明了。模式植物拟南芥中的研究提供了静止中心细胞的分裂可能对根生长发育没有显著影响的例子，但是否正确还需要进一步研究加以论证。

NOTES

^*通讯作者。