将植物细胞从通才转变为专家

随着正在生长的植物将其根部延伸到土壤中，在其尖端形成的新细胞具有不同的作用，从运输水和养分到感知重力。一项新的研究指出了这些新形成的细胞，它们都含有相同的DNA，具有一种特殊的身份。研究人员已经在拟南芥植物的根中发现了一组DNA结合蛋白，这些蛋白结合起来帮助前体细胞选择性地阅读相同遗传文本的不同部分并获得它们不同的命运。在杜克大学的研究人员的带领下，该研究为发育生物学中一个长期存在的问题提供了线索，即植物和动物如何从同一组指令中制造出如此多的细胞类型。

植物和动物组织以称为干细胞的未成熟细胞开始。为了使这些非特化细胞获得使叶细胞不同于根细胞或不同于肌细胞的血细胞的特征，它们必须打开不同的基因子集以产生负责每种细胞类型的独特性质的蛋白质。

“这是鸡和蛋的问题，”第一作者Erin Sparks说，他是杜克生物学教授Philip Benfey的博士后助理。如果细胞开始时它们完全相同，细胞如何开始打开不同的基因?

Sparks，Benfey及其同事认为他们已经在拟南芥中找到了一种方法。

拟南芥是白菜和萝卜的表亲，是植物世界的实验室老鼠。植物的细线状根系由大约15种细胞构成，每种细胞都有自己的一套功能。

由于转录因子可以根据需要打开和关闭基因，因此在给定的时间内，只有部分植物的30,000个基因在给定的根细胞中有活性。

该研究的重点是拟南芥中一种称为“短根”的关键转录因子，因为具有有害形式的短根基因的植物具有发育不良的根。

在过去的几十年中，Benfey及其同事已经证明短根作为主开关，启动将通用前体细胞转化为拟南芥根部某些部位的特化细胞的过程。

先前的研究发现短根也会激活其他转录因子，从而形成一个级联，其中每个基因调节蛋白控制根发育途径中的下一个。

研究人员已经确定了许多短根的基因目标，但不确定是什么控制短根主开关本身开始级联。

新的研究表明，答案不在于多种DNA结合蛋白。

Sparks使用称为酵母单杂交测定的技术的修改版本来鉴定超过20种可能与短根基因的启动子区域结合以控制其活性的根蛋白。

果然，具有这些DNA结合蛋白的突变形式的植物产生具有改变的短根水平的根细胞。

一些结合蛋白通过打开短根基因而其他蛋白通过关闭它来起作用。虽然大多数这些蛋白质存在于多种根细胞类型中，但研究人员发现，他们在活植物中的统计模型和实验表明，在一些细胞中激活短根主开关而不是其他细胞。

“这一切都与激活剂和抑制剂之间的平衡有关，”斯帕克斯说。“这是他们的协调效应，可以打开或关闭短根。”

斯帕克斯说，类似的机制也可以启动其他植物物种的细胞分化。如果是这样，它可以使细胞命运对植物遗传密码中的随机突变更具弹性，即使这些变化使一些基因调节蛋白质不能与其预期的DNA靶标结合。