揭示SCARECROW在促进细胞伸长方面前所未知的调控功能

　　2021年5月31日，The Plant Journal在线发表了美国佛罗里达州立大学终身教授、西北农林科技大学崔洪昌教授课题组题为“A mechanism coordinating root elongation, endodermal differentiation, redox homeostasis and response”的研究论文。该研究揭示了GRAS基因家族成员SCARECROW（SCR）在促进细胞伸长方面前所未知的调控功能，即SCR在协调根细胞伸长、内皮层分化、氧化还原稳态和氧化应激反应中发挥作用。

　　研究背景

　　植物根的持续生长依赖于根顶端分生组织（RAM）的有丝分裂活性和功能性静止中心（QC）的维持。在拟南芥中，根的生长发育和辐射状根系形态是由GRAS基因家族的两个成员SHORTROOT（SHR）和SCR所调控的，它们可相互结合形成SHR-SCR复合物。scr和shr突变体中QC和RAM缺失，根生长停滞，且径向结构发育缺陷。之前研究表明，SHR和SCR通过抑制分生组织中的细胞分裂素响应来促进根的生长，但也有证据表明，分生组织之外表达的SCR也是根生长所必需的。另有趣的发现是，SHR和SCR所靶向基因与生物胁迫相关，scr突变体对ABA超敏感，表明SCR可能参与非生物胁迫响应。

　　主要结果

　　由于ABA与非生物胁迫有关，因此推测scr突变体的根生长缺陷可能是由非生物胁迫响应异常造成的，那么阻断ABA的生物合成应该可以缓解scr的短根表型。为此构建了ABA合成缺陷的scr-1 aba2双突，结果发现双突根长明显长于scr-1单突，表明SCR通过抑制ABA相关的非生物胁迫响应来促进根的生长。

　　为解析scr-1 aba2双突根变长的原因，对RAM进行检测发现scr-1 aba2的分生组织显著大于scr-1，表明其有丝核分裂能力提高。但进一步通过共聚焦显微观察发现，scr-1 aba2双突QC中的细胞仍然紊乱，干细胞特性消失（图1），且在shr-2 aba2双突中也得到了类似的结果。表明双突根生长的改善可归因于RAM中有丝核分裂活性的提高。对成熟区完全分化的表皮细胞进行检测发现，scr-1 aba2和shr-2 aba2双突的细胞长度均显著长于两者单突，表明aba2除在有丝核分裂活性方面发挥缓解作用外，还有助于细胞伸长。

　　图1. ABA生物合成的阻断可缓解scr根生长缺陷，但不能减缓其QC和径向模式缺陷

　　活性氧（ROS）可在非生物胁迫下积累，而且ROS能够抑制细胞分裂和伸长，据此认为scr突变体中的氧化还原状态可能会发生改变。染色结果显示，scr和shr伸长区中的过氧化氢含量显著增加，表明SHR和SCR对于氧化还原状态的维持至关重要。

　　过氧化氢添加处理发现，scr-1 aba2双突根长较scr-1单突更进一步增加。但对ROS成分染色结果则显示无明显差异，说明aba2突变体主要通过减轻氧化应激的有害影响来缓解scr-1的根生长缺陷。此外，upbeat 1-1（upb1-1）突变体的根尖氧化还原状态维持在较低水平，因此其根为较长表型。本研究发现，scr-1突变体的根生长缺陷可由upb1-1部分补救（图2），这进一步说明SCR通过维持正常的氧化还原状态来促进根的生长。

　　图2. scr-1突变体的根生长缺陷被upb1-1部分补救

　　SCR在内皮层特异性表达，一些过氧化物酶基因（PER）PER3、9、39、64和72也在此处高水平表达，它们对于凯氏带的形成是必需的。由于SCR和SHR是内皮层分化的主要调控因子，因此这些基因可能在突变体中的表达量降低，进而导致ROS积累。基于荧光检测发现，PER3是唯一在伸长区表达的过氧化物酶基因。PER3表达比较分析显示，在scr和shr突变体中未能检测到该基因的表达，表明，突变体中积累的ROS至少部分是由于PER3表达量的降低。

　　一图解文

　　在分生组织中，SCR主要通过抑制细胞分裂素响应来促进有丝核分裂活性。而在伸长区，SCR通过抑制非生物胁迫反应的有害影响，特别是氧化应激反应来促进细胞伸长。另外，SCR主要通过PER3和PER39在伸长和分生区维持一个还原环境，从而在响应中去除过氧化氢以促进凯氏带的形成。

　　图3. SCR促进根生长的调控机制模型