徐麟研究组解答“为什么愈伤组织能再生器官”
组织培养是重要的植物营养繁殖技术，也是基因编辑等现代农业分子育种技术得以应用的基础。上世纪五十年代由Skoog和Miller奠定的组织培养技术一直沿用至今（Symp Soc Exp Biol, 11:118–130, 1957）。在两步法组织培养技术中，第一步是获取多能性（pluripotency acquisition），即利用高浓度生长素诱导外植体产生具有再生多种器官能力的愈伤组织；第二步是器官发生（organogenesis），即通过高浓度细胞分裂素诱导愈伤组织再生为芽，或通过低浓度生长素诱导愈伤组织再生为根。2010年，Meyerowitz实验室提出愈伤组织类似于根尖分生组织，开启了对愈伤组织在细胞和分子层面的新认识（Dev Cell, 18: 463-471, 2010）。
“愈伤组织的器官再生能力”一直是植物再生领域关注的核心科学问题之一，然而长久以来都没有在分子机制方面得到合理解释。为什么愈伤组织能够在不同的激素诱导下再生为不同的器官，而普通体细胞却没有这样的能力？2021年11月15日，植物分子遗传国家重点实验室徐麟研究组于Nature Plants杂志发表封面文章 “Pluripotency acquisition in the middle cell layer of callus is required for organ regeneration”，从单细胞和分子层面揭示了愈伤组织具有器官再生能力的机制。
作者首先对拟南芥下胚轴产生的愈伤组织进行单细胞测序，确认了愈伤组织类似于根原基或根尖分生组织，可以大致分为三层：外层细胞类似于根尖的表皮和根冠；中层细胞具有根尖静止中心（quiescent center, QC）的特征；内层细胞类似于根尖的维管初始细胞。然后作者通过转录组比较分析、特征基因表达模式观察和细胞谱系追踪等方法，发现愈伤组织中层细胞不仅与根尖静止中心QC有着高度类似的转录组特征，也是根和芽再生的源头干细胞。在遗传表型方面，根尖静止中心QC的特征转录因子基因WOX5及其同源基因WOX7突变后，愈伤组织的器官再生能力下降；而WOX5/7过量表达可以使愈伤组织在低浓度细胞分裂素的情况下也具有芽再生的能力。最后，通过分子层面的研究发现，WOX5/7至少通过三条通路促进愈伤组织中层细胞获取多能性：（1）WOX5/7维持愈伤组织中层的干细胞属性；（2）WOX5/7-PLT蛋白复合体能够激活内源生长素合成基因TAA1的表达，促进高浓度生长素的积累；（3）WOX5/7-ARR12复合体能够抑制ARR5基因的表达，从而解除细胞分裂素的负反馈信号通路，达到细胞分裂素超敏感状态。
根据上述结果，作者推测了愈伤组织具有器官再生能力的原理。首先，愈伤组织中层细胞具有干细胞特征，处于未分化状态。其次，愈伤组织的中层细胞具有双激素信号高峰的特征，即同时具备高浓度生长素积累和细胞分裂素超敏感的双重特性。这两个特征使得愈伤组织具有既能再生根又能再生芽的能力：当培养基中只含有低浓度生长素而不含有细胞分裂素时，愈伤组织由于积累了高浓度生长素而分化为根；当培养基中含有高浓度细胞分裂素时，愈伤组织的细胞分裂素超敏感状态使得细胞分裂素能快速有效的激活芽基因的表达，从而发育为芽。而在已分化的体细胞中，生长素途径和细胞分裂素途径相互抑制，无法达到两种激素信号的双高峰状态，因此不具备器官再生的能力。
中科院分子植物科学卓越创新中心博士研究生翟宁为论文第一作者，徐麟研究员为通讯作者。研究得到了基金委、中科院和植物分子遗传国家重点实验室项目的支持。愈伤组织转录组数据和单细胞转录组数据可以通过线上工具查询（http://xulinlab.cemps.ac.cn/）。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41477-021-01015-8
愈伤组织具有再生芽和根的能力
愈伤组织中层细胞具有多能性
愈伤组织具有器官再生能力的原理
