Science Advances|南京大学孙博/陈迪俊团队联合上海交通大学林文慧团队揭示油菜素甾醇调控茎尖分生组织活性的新机制

茎尖分生组织（shoot apical meristem，SAM）是植物地上器官（茎、叶、花等）的发生中心，其干细胞活性的稳态维持直接决定分枝数、穗数、花数等关键农艺性状。油菜素甾醇（brassinosteroids，BR）是一类高效调控植物生长发育的甾醇类植物激素，参与株高、叶夹角、籽粒大小及根系发育等多种农艺性状的调控，是现代分子设计育种的核心靶标。然而，BR信号通路在SAM活性维持中的作用机制长期不明。

近日，南京大学孙博团队、陈迪俊团队联合上海交通大学林文慧团队在 Science Advances发表题为 Brassinosteroid signaling regulates shoot apical meristem homeostasis via orchestrating cytokinin and WUSCHEL activity的研究论文。该研究首次解析了BR信号在SAM的OC区（organizing center，OC）中的组织特异性功能，阐明了BR协同细胞分裂素（cytokinin，CK）通过转录调控与蛋白活性调控双重机制影响干细胞决定因子WUS（WUSCHEL）活性，以及维持SAM干细胞活性与SAM寿命的分子机制，填补了生殖生长阶段BR调控SAM稳态的认知空白。

在多数陆生植物中，保守的CLV（CLAVATA）–WUS负反馈通路联合多种激素信号的串联扰动影响着生殖生长期SAM的活性维持。BR作为关键农艺性状的高效调控因子，其是否直接参与SAM活性维持此前并不清楚。研究团队系统分析了BR受体突变体 bri1-116 （BRASSINOSTEROID INSENSITIVE 1）及其功能回复双突 bri1-116  bzr1-1D（BR信号持续激活的显性突变）的花序形态、SAM结构及干细胞活性。结果显示：相比野生型，bri1-116 花序与SAM显著缩小、干细胞标记基因 CLV3 表达下调、角果数量减少；引入 bzr1-1D 可明显回复上述表型，表明内源BR对SAM活性具有积极的维持作用。

BR信号通路调控SAM活性

为明确BR信号的作用区域，研究团队检测了核心转录因子BZR1在SAM中的蛋白分布。BZR1–YFP在OC区与周缘区高表达、中央区表达较低；BR信号抑制剂BRZ处理可使OC区WUS–GFP信号快速降低，初步表明OC区BR信号促进WUS表达。进一步构建SAM中不同区域BR信号特异增强的转基因材料，发现区域特异性提高BR信号的pWUS:bzr1-1D-eGFP和pCLV3:bzr1-1D-eGFP的花序与SAM明显增大，而 pCLV1:bzr1-1D-eGFP 未见明显效应，表明BR对SAM活性的调控具有明确的组织区域特异性。

鉴于CK对WUS的促进作用以及胚珠起始中BR–CK的协同效应，本研究推测两者在SAM中可能协同调控WUS转录。荧光报告系显示，bri1-116 的SAM中CK响应减弱、对外源CK处理不敏感；bzr1-1D 可恢复其SAM对CK的响应。分子生物学实验证实，BZR1与CK下游转录因子ARR1（ARABIDOPSIS RESPONSE REGULATOR 1）均可识别并结合 WUS 启动子，协同促进其转录。外源BR与CK共同处理可进一步增强SAM中WUS–GFP信号，证明二者在SAM中协同促进WUS转录。

通过BiFC、CoIP等实验，研究人员还发现BZR1与WUS存在蛋白相互作用。遗传分析显示，bri1-116 背景下WUS过表达不再形成异位花原基，表明WUS蛋白功能依赖BR信号通路。通过整合花序中BZR1和WUS的 ChIP-seq与RNA-seq数据，本研究鉴定到BZR1–WUS复合体共同调控生长素与CK响应、分生组织发育等过程，并通过抑制CK信号抑制因子A类 ARRs 与MADS类转录因子 FUL （FRUITFUL）的表达维持SAM干细胞活性及其寿命。

研究团队进一步在番茄中验证了BR–BZR1–WUS模块的功能保守性。BRZ处理显著减小番茄植株与SAM体积；原位杂交显示，番茄BR受体突变体 slcu3 的花序分生组织中 CLV3 转录水平明显降低；SlBZR1–SlWUS复合体在番茄中同样存在。这些结果提示该调控模块在双子叶植物中具有功能保守性。

BR促进茎尖分生组织活性的调控模型及在番茄中的功能保守性

综上，该研究揭示了BR协同CK信号通路通过对干细胞决定基因WUS的转录与蛋白双重调控、维持SAM干细胞活性与寿命的分子机制，并验证了BR–BZR1–WUS模块在双子叶植物番茄中的保守性。该工作解析了生殖生长阶段BR促进SAM干细胞活性维持的核心功能；通过对SAM中不同区域特异性增强BR信号的实验材料进行分析，获得了BR组织特异性调控的直接证据，为基于BR信号通路的分子设计育种提供了相应理论依据。

南京大学博士后王鑫及硕士生刘佳欣为该论文的共同第一作者，南京大学孙博教授、陈迪俊教授与上海交通大学林文慧教授为该论文共同通讯作者。南京大学田兴军教授参与指导了该工作。感谢根特大学Eugenia Russinova教授、福建农林大学吴双教授、中国科学院植物研究所徐云远教授、广州大学黎家教授、河北师范大学汤文强教授、山东大学李子聪教授、北京大学何跃辉教授和加州大学戴维斯分校徐小飒教授在实验材料上的馈赠与帮助。该研究得到了国家自然科学基金项目与中国博士后科学基金项目的资助。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aed5120