美国加利福尼亚大学戴维斯分校Siobhan M. Brady教授应邀访问并作学术报告

2025年5月9日下午，应基因功能研究与操控全国重点实验室、北京大学生命科学学院王伟研究员邀请，美国加利福尼亚大学戴维斯分校（University of California, Davis）教授、霍华德·休斯医学研究所（The Howard Hughes Medical Institute）研究员、美国科学促进会会士（AAAS Fellow）Siobhan M. Brady在北京大学金光生命科学大楼邓佑才报告厅作了题为“Environmental Integration with Root Cell Type Development”的学术报告。来自北京大学生命科学学院及相关研究单位的众多师生参加了此次报告。

Brady教授专注于植物根系基因表达调控的研究，其研究整合了基因组学、分子生物学和生物信息学，以了解转录网络如何控制根系发育以及对环境胁迫的响应。报告伊始，Brady教授引用了达尔文《物种起源》的经典名句——“从简单的开端演化出无数最美丽、最奇妙的生命形式”，强调植物在进化过程中通过细胞类型分化形成多样的适应性结构，以应对环境挑战，从而在极端的环境中也可以茁壮生长。而植物的根系直接接触土壤环境，是感知和响应非生物胁迫（如干旱、盐害、缺氧）的核心器官，研究根系可以帮助我们理解植物如何通过细胞类型的变化来适应环境。

首先，Brady教授以拟南芥（Arabidopsis）作为模式生物，从基础概念出发，为同学们介绍了根部细胞类型的模块化结构与屏障功能。植物根部并非均质组织，而是由功能特化的细胞层（模块）组成。这些模块化细胞类型在发育过程中按特定顺序分化，形成物理或化学屏障，以应对外界环境压力。模块化结构使得根部能够分区执行不同功能（如吸收、运输、屏障保护），同时保持整体协调性。其中，许多植物物种中存在大量木质化（Lignified）和栓质化（Suberized）的根细胞类型，例如内皮层（Endodermis）细胞形成的凯式带（Casparian Strip）、皮层细胞径向壁产生的Phi增厚（Phi thickening）等，具有增强组织强度、防止水分流失与离子渗透、参与耐旱调控等诸多重要的功能，这些类型的细胞在分子和遗传的水平上仍需要更深入的研究。

其次，Brady教授着重介绍了她在作物番茄（Solanum lycopersicum）中的相关研究。植物根部通过内皮层的凯氏带形成木质素屏障，调控矿物质离子和水分的被动扩散。然而，许多被子植物例如番茄还存在外皮层（Exodermis），但其分子调控和功能尚不清楚，因为模式植物拟南芥缺乏这一结构。Brady教授课题组发现，在番茄中，外皮层不形成凯氏带，而是分化出独特的极性木质帽（Polar lignin cap, PLC），其木质素沉积方向朝向表皮（Epidermis），这种PLC通过苯丙烷代谢途径合成木质素，形成类似凯氏带的质外体屏障，但形态和定位与凯氏带显著不同。遗传实验表明，内皮层凯氏带的调控基因（如SISHR、SIMYB36、SICASP）在PLC的形成中无显著作用，表明两种屏障的调控通路独立。同时，他们发现了新的转录因子SIEXO1（C2H2锌指蛋白）和SISCZ（热激转录因子），可以通过抑制内层皮层细胞的木质化，来限制PLC仅在外皮层形成。

Brady教授的研究揭示了植物根系外皮层屏障的发育和功能机制，丰富了人们对于植物根系结构和功能多样性的认识。而通过调控外皮层和内皮层屏障的形成，有望开发出更耐逆境、养分利用效率更高的作物品种，为农业可持续发展提供理论支持。