2019年7月,JIPB在線發表了來自中國科學院遺傳與發育生物學研究所焦雨鈴團隊的題為“The 35S promoter-driven mDII auxin control sensor is uniformly distributed in leaf primordia”的研究論文。(https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/jipb.12853)。該研究利用活體和切片成像技術及統計分析,對不同生長素探針株系進行檢測,再次確認了擬南芥葉片原基中生長素的不對稱空間分佈模式。



這篇文章也正是回應之前2019年1月,eLIFE雜誌上發表發表了來自澳大利亞悉尼大學Marcus G Heisler研究組題為“Quantitative analysis of auxin sensing in leaf primordia argues against proposed role in regulating leaf dorsoventrality”的研究論文,該論文通過分析和量化R2D2生長素感受器的表達,發現擬南芥葉片發育過程中生長素水平沒有明顯的不對稱性,對焦雨鈴團隊發表的三篇文章關於生長素不對稱分佈提出了質疑。

1.背景知識--焦雨鈴文章的解讀:

1. 2014年,焦雨鈴課題組在PNAS雜誌上,在線發表了題為“Auxin depletion from leaf primordia contributes to organ patterning”的研究論文。該研究在擬南芥和番茄中通過熒光成像發現葉片原基中存在生長素濃度差異,近軸面(即葉片靠近莖尖一側)生長素濃度較低。

文章截圖


在高等植物莖尖,側生器官葉片的近-遠軸極性建成受到莖尖幹細胞調控(Sussex, 1951, Nature 167:651-652)。這個極性信號分子被稱為Sussex信號(如下圖g灰色箭頭),但其化學本質和分子機理一直未能解析。

之前的研究表明生長素運輸對於葉片極性建成有調控作用(Ni et al., 1999, Cell Res. 9:27-35)。這項研究發現擬南芥和番茄中的葉片原基中存在生長素濃度差異,近軸面(即葉片靠近莖尖一側)生長素濃度較低(見下圖a/b)。此外,葉片原基發生之後,立即出現從近軸面向莖尖幹細胞方向的生長素運輸(如下圖g紅色箭頭)。

同時,該研究在番茄中建立了顯微操作體系,對莖尖的生長素分佈和運輸進行干擾。番茄中的顯微操作結果結合擬南芥中轉基因和遺傳學結果表明,葉片原基近軸面的低生長素濃度和葉片與莖尖的生長素運輸都對葉片極性的建成至關重要。干擾生長素運輸導致近軸面生長素濃度升高;提高近軸面的生長素濃度導致葉片呈現無極性的遠軸面化。

進一步研究證明生長素下游轉錄因子MONOPTEROS介導生長素信號調控葉片極性建成。此研究對於經典的Sussex信號在分子水平給出了機理性的解釋,並證明了生長素對於以葉片為代表的植物器官極性建成的作用。


論文鏈接:https://www.pnas.org/content/pnas/111/52/18769.full.pdf




2. 2017年,焦雨鈴課題組和中科院力學研究所龍勉課題組合作在Nature Plants雜誌上,在線發表了題為“Mechanical regulation of organ asymmetry in leaves”的研究論文。該研究發現了生物力學在器官形狀不對稱性產生中扮演的重要角色。


文章截圖


該項研究表明,葉片背側與腹側間信號分子的極性分佈導致葉片原基中細胞壁力學屬性的不對稱性;細胞壁中果膠的甲酯化修飾的不對稱性參與介導力學屬性的不對稱性形成。

理論模擬表明,力學不對稱性可較好解釋器官形狀不對稱性的產生;特別值得一提的是,人為改變果膠甲酯化修飾來影響細胞壁力學屬性的實驗驗證了模型預測,並發現能夠改變背側/腹側極性基因的表達。綜上所述,力學不對稱性可能是器官不對稱性產生的一種普遍機制(見下圖)。

圖:極性基因和生長素通過機械力信號調控葉片極性建成


論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41477-017-0008-6.pdf



3. 2017年,焦雨鈴課題組在Current Biology 雜誌上,在線發表了題為“Spatial Auxin Signaling Controls Leaf Flattening in Arabidopsis”的研究論文。該研究發現了植物激素生長素對於葉片原基的展開至關重要。


文章截圖



在前期的研究發現葉片原基中存在生長素濃度差異的基礎上(Qi et al., 2014, PNAS 111:18769-18774)。該項研究通過對生長素、生長素信號轉導通路下游的響應因子進行精細成像,進一步發現了生長素與下游響應因子MP僅存在部分重疊,從而在近-遠軸面之間的中間區界定了高生長素信號。進而,MP可以直接激活WOX1和PRS在中間區特異的表達。WOX1和PRS是中間區形成的決定因子,是葉片向兩側展開的關鍵。

此外,葉片遠軸面特異表達的生長素通路下游響應因子ARF2、ARF3和ARF4則直接抑制WOX1和PRS在遠軸面區域的表達。MP和ARF2/3/4的共同作用使WOX1和PRS在葉片中間區域特異表達,從而使葉片能夠展開。上述結果闡述了葉片形成過程中,近-遠軸極性通過生長素信號通路介導轉換為中-邊軸極性,從而使葉片展開的分子機制。而本文所列的第二項研究也從生物力學的角度解釋了中間區的重要性和生長素對葉片發育的調控(Qi et al., 2017, Nature Plants 3:724-733)。

圖:生長素及其響應因子通過調控WOX基因表達指導葉片展開



論文鏈接:https://ac.els-cdn.com/S0960982217310801/1-s2.0-S0960982217310801-main.pdf

綜上所述,焦雨鈴課題組系統講述了植物激素生長素的極性運輸介導分生組織與葉片間的信息傳遞和相互調控,同時還試圖解答了生長素的不對稱分佈如何導致葉片的不對稱性產生的分子機制!

2.背景知識--之前elife文章的解讀:





該研究為了更詳細地研究生長素不對稱的模型,使用比率度量R2D2報告基因檢測生長素在起始葉原基中的分佈。高DII/mDII比率表明生長素感應水平相對較低,反之亦然。研究表明,在近端 - 遠端軸長約4-5個細胞(3DAS)階段時,在原基的近軸細胞中DII / mDII比率從中等到高變化,但在遠軸區域也相似地變化, 表明兩種組織類型之間沒有明顯的不對稱性(如下圖),但是REV和KAN1的表達模式在這種原基中已經是極性的。並進一步證實僅在朝向原基的尖端的更遠端區域中發現高水平的生長素。


圖.葉原基內DII / mDII比強度的分佈

接下來,研究進一步定量研究R2D2的空間模式。使用PIN1-GFP標記的脈管系統作為劃分正面和背面組織的分界線,並用用ImageJ手工裁剪來自表達R2D2的4DAS老葉的共焦圖像,得到近軸和遠軸共焦體積(下圖A和B)。研究表明,幼葉原基的近軸和遠軸組織中生長素感應的相對水平總體上非常相似。同時,與正面組織相比,遠軸組織中較大比例的細胞顯示出較高的DII與mDII比率,這與焦雨鈴課題組報道的結果相反(Guan et al,2017; Qi et al,2014)。


重點來了!兩篇文章使用的生長素感應模式不同,焦雨鈴課題組使用DII標記物,因此,該研究在同一時間重新檢查DII生長素傳感器表達的模式。研究表明,與R2D2模式相反,DII模式顯示在3DAS時葉原基中的表達不對稱,與焦課題組的文章相似。然而,驚訝的是與DII結果一樣,mDII標記的表達在3DAS的葉原基的表達也是不對稱性的。因此,該研究認為焦課題組的文章使用DII標記評估相對生長素水平,而沒有與mDII標記直接比較,這可能是兩者差異的原因之一。

圖. p35S驅動的生長素傳感器和對照產生的幼葉信號強度分佈。


3.JIPB文章的解讀--焦課題組進行的回應:

該研究利用不同方法對兩種獨立的生長素探針進行了檢測,再次支持了生長素在葉片原基中的差異分佈。通過對活體樣品進行光學切片、對固定後的樣品進行機械切片,再進行激光共聚焦顯微成像,本研究對大量材料進行了觀察。結果與之前的多篇報道一致:mDII對照探針在葉片原基中均勻分佈,而DII探針信號在近軸面高於遠軸面。


非生長素響應對照探針mDII(A-F)、生長素探針DII(G-L)和兼具二者的R2D2探針(M-W)在擬南芥第一對葉片原基中的表達。每幅圖中均為兩片相對的葉片原基,從左到右依次為整體樣品、光學縱切、光學橫切。V和W為N和O的熱圖展示,以顯示DII/mDII比值。圖片來源:Guan et al. 2019, JIPB, doi:10.1002/jipb.12853。

此外,該研究還提出Bhatia et al. 2019, eLife在實驗和數據處理中均存在漏洞

第一:通過比較不同方法,本研究發現活體成像由於樣品遮擋,不同葉片區域的信號可存在顯著的穿透性差異,且不同波長的熒光穿透能力會有所不同。本研究所用的機械切片可以解決該漏洞。

第二:Bhatia et al. 2019, eLife僅進行了活體成像,且樣品中葉片疑似被人為撥開以暴露近軸面、遮擋遠軸面。“擺拍”加劇了樣品遮擋,造成35S啟動子在近軸面活性高的假象。

第三:Bhatia et al. 2019, eLife在數據統計時將DII信號極弱的葉片中間區人為劃分成兩部分,分別歸入到近軸面和遠軸面,提高了數據離散程度,造成葉片各區域DII/mDII比值(即生長素含量)差異不顯著的假象。

焦雨鈴課題組的關春梅副研究員為論文的第一作者,焦雨鈴研究員為通訊作者。該項目得到國家自然科學基金以及英國皇家學會牛頓高級學者項目的支持。

(注:以上JIPB文章解讀來源JIPB官網)

綜上所述,我們把雙方你來我往的所有的論文列出來,並且都有詳細的論文鏈接,供大家下載後仔細閱讀。同時,希望大家保持科學的態度,客觀看待!相信通過這篇文章的發表,再次證實了擬南芥葉片原基中生長素的不對稱空間分佈模式。