北京大学蛋白质与植物基因研究国家重点实验室和杜克大学生物系联手发现一个决定拟南芥根皮层细胞命运的调控节点

近日，北京大学蛋白质与植物基因研究国家重点实验室白书农/许智宏团队和美国杜克大学生物系霍华德休斯研究院Philip Benfey团队合作在Plant Physiology在线发表了题为“Histone deacetylase HDA19 affects Arabidopsis root cortical cell fate by interacting with SCARECROW”的研究论文。该研究揭示了拟南芥皮层细胞命运决定的一个关键调控节点，即组蛋白去乙酰化酶HDA19与转录因子SCARECROW（SCR）在根尖皮层/内皮层原始细胞中的互作及其对SCR靶基因表达的调控。这一研究为揭示拟南芥根形态建成调控的分子机制提供了一个全新的环节。

拟南芥的根具有相当规则的分化模式。其根尖在根冠之内，从外向内分别由一层细胞构成的表皮、一层细胞构成的皮层和一层细胞构成的内皮层包裹中柱细胞及若干静止细胞构成。之前的研究发现，表皮细胞的根毛和非根毛细胞的分化依赖于其与皮层细胞之间的空间关系而被一组转录因子、受体激酶所调控。内皮层和中柱的分化，则由SCR和SHORTROOT（SHR）这两个转录因子的互作所决定。其中，SCR一直被认为在内皮层细胞中特异表达。可是，皮层细胞的分化命运如何决定，始终不清楚。白书农实验室在探索染色质修饰对植物形态建成的影响的尝试中，发现组蛋白乙酰化的改变，影响拟南芥根表皮细胞分化的模式形成（Xu et al, 2005）。之后又发现在拟南芥16个HDAC基因家族成员中有三个、12个HAT基因家族成员中有两个成员的单基因突变都可以造成根表皮细胞分化模式的改变（Chen, et al, 2016）。在对三个HDAC基因影响根表皮细胞分化模式的分子机制的研究中发现，HDA18通过影响一批之前未知功能的包括受体激酶的靶基因而发挥作用（Liu et al, 2013），HDA6通过影响两个已知影响根表皮细胞分化的转录因子的表达而发挥作用（Li et al, 2015）。本文的研究发现，HDA19突变体中表皮细胞分化模式改变的表型，是因为HDA19蛋白与已知影响内皮层分化的SCR蛋白直接互作，影响皮层细胞分化命运而产生的间接结果。这一发现不仅进一步证明组蛋白乙酰化修饰可以因基因家族成员的不同，通过不同的途径产生同样的结果，还进一步证明拟南芥根表皮的细胞分化模式的确依赖于皮层细胞的分化。此外，这个工作还在皮层与内皮层的分化之间，找到了一个分子层面的关联节点，即SCR通过与HDA19在皮层/内皮层原始细胞中的互作。SCR与HDA19互作决定皮层细胞命运这一现象的发现，为拟南芥根的形态建成中静止细胞受源自茎端方向的生长素决定、生长素诱导维管细胞（中柱）、中柱中的SHR与SCR互作诱导内皮层、SCR与HDA19互作诱导皮层、皮层通过位置信息调控表皮细胞中复杂的转录因子网络诱导表皮细胞出现皮层细胞位置依赖的分化模式的渐次诱导机制提供了一个关键的证据。

该研究由北京大学蛋白质与植物基因研究国家重点实验室白书农/许智宏实验室和美国杜克大学生物系霍华德休斯研究院的Philip Benfey实验室合作完成。陈文倩博士和Colleen Drapek博士为论文共同第一作者。白书农博士和Philip Benfey博士为共同通讯作者。该工作得到了中国国家自然科学基金委和美国霍华德休斯研究院的资助。

文章链接：http://www.plantphysiol.org/content/early/2019/02/08/pp.19.00056

Chen WQ, Li DX, Zhao F, Xu ZH, Bai SN (2016) One additional histone deacetylase and two histone acetyltransferases are involved in cellular patterning of Arabidopsis root epidermis. Plant Signal. Behavior 11 (2): e1131373

Li DX, Chen WQ, Xu ZH, Bai SN (2015) HDA6-defective mutants show increased expression and acetylation of ETC1 and GL2 with small but significant effects on root epidermis cellular pattern. Plant Physiol. 168(4):1448-1458

Liu C. Li LC, Chen WQ, Chen X, Xu ZH, Bai SN (2013) HDA18 Affects Cell Fate in the Arabidopsis Root Epidermis via Histone Acetylation at Four Kinase Genes. Plant Cell 25: 257-269

Xu CR, Liu C, Wang YL, Li LC, Chen WQ, Xu ZH, Bai SN (2005) Histone acetylation affects expression of cellular patterning genes in the Arabidopsis root epidermis. PNAS 102: 14469-14474

Fig3. HDA19 affects root cortex gene expression and regulates proper epidermal differentiation though its action in the ground tissue.

(A - D) Confocal microscopy images of YFP or GFP signal in root tips of 8-day-old seedlings. White asterisks indicate the additional middle layer of the ground tissue. C: cortex; En: endodermis. Scale bar = 100 μm.

(E) Expression level of Co2 and En7 genes in 8-day-old root tips of hda19 determined via RT-qPCR.

(F) Expression level of selected cortex-specific expression genes in 5-day-old root tips of hda19 determined via RT-qPCR. Error bar represents SD value from three biological replicates (*P < 0.05, **P < 0.01; Student’s t-test).

(G - J) Confocal microscopy images of HDA19-EGFP 8-day-old root tip expression driven by tissue-specific promoters in hda19. Asterisks indicate the additional layer of ground tissue. Scale bar = 100 μm.

(K - N) Cross section and toluidine blue stained root tips of 8-day-old seedlings of HDA19-EGFP driven by tissue-specific promoters in hda19. Black arrows indicate the darkly stained hair cells (H cells) at N positions and red arrows indicate the lightly stained non-hair cells (N cells) at H positions. Orange asterisks indicate the additional layer of ground tissue. Scale bar = 20 μm.