自噬促进拟南芥根冠特定细胞类型的程序性细胞

作者：张馨予

Current Biology | 自噬促进拟南芥根冠特定细胞类型的程序性细胞死亡和细胞清除

2022-04-10 08:45 来源: 教育的灵魂

原标题：Current Biology | 自噬促进拟南芥根冠特定细胞类型的程序性细胞死亡和细胞清除

2022年4月6日，比利时根特大学Moritz K. Nowack等科研学者在国际著名期刊 Current Biology发表题为“ Autophagy promotes programmed cell death and corpse clearance in specific cell types of the Arabidopsis root cap ”的研究论文。研究表明，拟南芥侧根冠远端边缘的细胞死亡与自噬无关，而近端小柱根冠的细胞死亡和死亡细胞的清除需要自噬过程。

自噬促进拟南芥根冠特定细胞类型的程序性细胞

细胞自噬(autophagy)是真核生物中进化保守的、对细胞内物质进行周转的重要过程。该过程将细胞成分靶向到细胞器溶酶体或液泡中，进而介导细胞成分的降解。在动物中，自噬一般与一些受调节的细胞死亡过程的调节有关。然而，自噬在植物的程序性细胞死亡（dPCD）中的作用仍然很少被研究。

本研究使用拟南芥根冠作为研究对象，研究了自噬在dPCD中的作用。在细胞死亡和细胞凋亡的共同作用下，拟南芥根冠器官的大小保持不变。植物中自噬过程受自噬相关基因ATG的控制。拟南芥突变体 atg7-2，atg5-1，atg2-2 自噬体形成减少，自噬的流向也出现了异常，流向液泡。研究者在突变体中，观察自噬报告基因的呈现，显示LRC细胞死亡之前以 ATG5 依赖的方式激活自噬。观察报告基因聚集位点和聚集数量，显示在LRC和小柱细胞中执行dPCD之前，自噬就已经被激活了。

为了研究 dPCD 执行前自噬激活的相关性，使用荧光素二乙酸酯（FDA）和碘化丙啶（PI）进行了活细胞和死细胞染色。在 atg 突变体和野生型植株中，远端LRC的PCD无明显差别。观察染色发现，根表面PI染色死亡细胞的延时成像显示野生型和 atg2-2 突变体之间没有差异。这表明虽然在细胞死亡之前自噬增强，但远端LRC中的dPCD和死亡细胞清除的发生独立于自噬过程。进一步的结果表明自噬对根冠发育和分化都不是关键的，但自噬促进了近端LRC和小柱细胞中及时dPCD 的启动。

为了检测自噬参与清除根冠死亡细胞的清除，研究者在垂直琼脂板上培养了 atg 突变体和野生型幼苗。在 atg 突变体中能统计数到明显更多的PI染色的死亡小柱细胞。这表明野生型中细胞残骸在迅速降解，而 atg 突变体中的细胞残骸清除功能受损。延时成像也证实了上述观点。说明，近端根冠细胞残骸的清除需要自噬过程。

两种 NAC 转录因子共同控制近端根冠中PCD的发生并调节dPCD相关基因的表达。因此，研究了自噬是否受这些转录因子的控制。将 GFP-ATG8E 自噬报告基因转化为 anac046 ana087 突变体，以野生型和 atg5-1 突变体作为对照。然而自噬激活发生在 anac046 anac087 突变体中，就像它在野生型根冠细胞中一样（图1A -1C）。这些结果表明成熟根冠细胞中自噬的激活独立于 ANA046 和 ANAC087 介导的dPCD调控网络。

自噬促进拟南芥根冠特定细胞类型的程序性细胞

图1 anac046 anac08 突变体中，LRC细胞中表达 pUBQ10::GFP-ATG8E

由于自噬过程在整个植物中都很活跃，研究者想知道观察到的根冠表型是否是器官特异性的。基于CRISPR的组织特异性敲除系统 CRISPR-TSKO，由 pSMB 启动子控制的根冠中表达荧光标记的Cas9。结合靶向ATG2或ATG5的gRNA，生成了具有根冠特异性自噬缺陷的转基因系。转基因植株的小柱细胞中都显示出明显延迟的细胞残骸的清除（图2）。此外，FDA染色显示小柱和近端LRC细胞生命周期延长，类似于 atg2-2 突变体，而 ATG5 的回补能恢复其异常的表型。

自噬促进拟南芥根冠特定细胞类型的程序性细胞

图2 自噬以一种根冠自主的方式控制细胞死亡

综上所述，本研究表明，在两种根冠组织中执行dPCD之前，自噬过程会增加，并且取决于关键的自噬基因 ATG2、ATG5 和 ATG7 。这些基因的系统性和器官特异性突变显示PCD 执行延迟和小柱中细胞残骸清除减少，但远端LRC中没有dPCD或细胞清除的缺陷（图4）。 本结果揭示了自噬功能中高度的细胞类型特异性，并表明dPCD中的自噬作用在同一植物器官的不同细胞类型之间可能存在很大差异。

自噬促进拟南芥根冠特定细胞类型的程序性细胞

图4 根尖不同部位的自噬功能模拟图

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