Генетические механизмы регуляции обновления клеток корневого чехлика у Arabidopsis thaliana L.

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Синхронизация пространственно разобщенных процессов деления и потери клеток играет первостепенную роль в обновлении и поддержании структуры органов и тканей, но о генетических механизмах ее регуляции на данный момент известно очень немного. У растений быстрому обновлению подвержен корневой чехлик, который располагается на кончике корня, защищая от механических повреждений нишу стволовых клеток и выполняя ряд других важных функций. Несмотря на непрерывное поступление и дифференцировку дочерних клеток от деления инициалей (стволовых клеток), корневой чехлик не увеличивается в размерах благодаря регулярному удалению дифференцированных клеток на внешнем его конце. Для строгого поддержания постоянства размера корневого чехлика важно, чтобы деления стволовых клеток были синхронизированы с удалением клеток внешнего слоя. У Arabidopsis thaliana, модельного объекта генетики растений, корневой чехлик имеет очень простую упорядоченную структуру, а слущивание старых клеток происходит единым слоем, что делает этот вид удобной моделью для исследования механизмов регуляции обновления клеток корневого чехлика. В обзоре рассмотрено поддержание гомеостаза структуры и размера корневого чехлика у A. thaliana, обсуждены данные по генетическому контролю этого процесса и возможные перспективные направления дальнейших исследований в этой области.

Full Text

Сокращения: БКЧ – боковой корневой чехлик; ТФ – транскрипционный фактор

ВВЕДЕНИЕ

Корни служат растениям для закрепления в почве и поглощения воды с растворенными в ней солями [1, 2]. В корне выделяют три зоны: на самом конце располагается меристематическая зона (также называемая зоной делений), за ней по направлению к побегу (проксимально) следует зона удлинения (зона роста), и далее – зона дифференцировки (зона созревания, или всасывания) (рис. 1). Область перехода между меристематической зоной и зоной удлинения часто выделяют в отдельную транзитную зону. У наземных растений, начиная с сосудистых споровых, на дистальном конце корня дополнительно присутствует специальный орган, называемый корневым чехликом (рис. 1а). Он защищает апикальную меристему от повреждений, способствует адаптации растений к различным почвам, а также участвует в формировании ответных реакций на целый ряд внешних стимулов: гравитацию, механические раздражители, патогены, доступность воды, минеральных веществ и другие условия [1, 2].

 

Рис. 1. Зоны корня и клеточная структура корневого чехлика: а – схематическое изображение строения корня Arabidopsis thaliana с указанием зон; б – клеточная организация кончика корня A. thaliana; белым цветом выделена ниша стволовых клеток, куда входит покоящийся центр и стволовые клетки (инициали); в – продукция клеток колумеллы путем асимметричных периклинальных делений инициалей колумеллы; г – продукция клеток бокового корневого чехлика (БКЧ) и эпиблемы в результате последовательных периклинального и антиклинального делений инициалей эпиблемы и БКЧ соответственно. Пунктирной линией на панелях (в) и (г) отмечена плоскость деления. Цветовая кодировка на этих панелях соответствует панели (б).

 

Корневой чехлик состоит из двух отдельных частей (рис. 1б): центрально расположенной колумеллы и окружающего ее и меристему корня бокового корневого чехлика (БКЧ) [3]. Анатомия корневого чехлика Arabidopsis thaliana имеет сходную, хотя и более простую клеточную организацию, чем та, которая описана для других представителей семейства Brassicaceae. Ниша стволовых клеток корня состоит из трех ярусов. Центральный ярус составляют клетки покоящегося (организационного) центра и инициали коры. Верхний ярус занимают инициали стелы. Корневой чехлик продуцируют инициали нижнего яруса. Среди них выделяют 12 инициалей колумеллы, которые в поперечной проекции организованы в виде круга с четырьмя центральными клетками, окруженными оставшимися восемью. Клетки колумеллы формируются в результате периклинального (параллельного поверхности органа) деления этих инициалей. Потомки каждой инициали образуют вертикальный ряд, располагаясь строго друг под другом (рис. 1в). Благодаря такой простой организации с легко отслеживаемой клональностью колумелла A. thaliana широко используется как модель для изучения функционирования ниши стволовых клеток у растений. Инициали колумеллы окружены 16 инициалями, которые дают начало клеткам БКЧ и эпиблемы. Антиклинальное (перпендикулярное поверхности органа) деление этой инициали продуцирует две клетки, из которых внутренняя остается стволовой, а внешняя дает начало эпиблеме; периклинальное деление инициали продуцирует наружу клетки БКЧ (рис. 1г). У A. thaliana корневой чехлик содержит от 180 до 260 клеток [2]. У других видов его размер может быть существенно больше, например, у Pisum sativum корневой чехлик имеет от 4000 до 21000 клеток.

Поскольку корневой чехлик находится на поверхности растущего сквозь почву корня, его внешний слой испытывает постоянную механическую нагрузку с повышенным риском повреждений и регулярно слущивается [1, 2]. Это обстоятельство требует постоянного возобновления клеток корневого чехлика, которое обеспечивается регулярными делениями его инициалей. В то же время для функционирования корневого чехлика важно, чтобы не происходило его чрезмерного разрастания и строго поддерживалась его апикальная локализация. Показано, например, что увеличение размеров БКЧ, которое наблюдается у мутантных растений A. thaliana с нарушением функций гена ANAC033/SOMBRERO (SMB), может приводить к замедлению роста корня в длину [4]. Таким образом, возникает необходимость обеспечения баланса между продукцией клеток и их удалением. Далее в обзоре мы рассмотрим клеточные механизмы структурного гомеостаза корневого чехлика у A. thaliana, а также генетический контроль этих процессов.

КЛЕТОЧНЫЕ МЕХАНИЗМЫ СТРУКТУРНОГО ГОМЕОСТАЗА КОРНЕВОГО ЧЕХЛИКА

Периклинальные деления инициалей колумеллы и БКЧ скоординированы и приводят к формированию нового слоя корневого чехлика, сдвигая более старые слои ближе к периферии [1, 2]. Для большинства дочерних клеток инициалей колумеллы характерна быстрая дифференцировка без делений, тем не менее, деления клеток колумеллы наблюдаются, но достаточно редко [5]. Дочерние клетки инициалей колумеллы дифференцируются в статоциты – клетки, воспринимающие гравитационные сигналы [6, 7]. Они начинают накапливать крахмал внутри амилопластов, что приводит к формированию крахмальных зерен (статолитов), оседающих под действием силы тяжести. По мере своей дифференцировки клетки колумеллы осуществляют функциональный переход от гравитационно-чувствительных статоцитов к секреторным клеткам [2, 8]. Этот процесс сопровождается деградацией крахмальных зерен, объединением вакуолей и увеличением количества органелл, вовлеченных в секреторную функцию. В отличие от потомков инициалей колумеллы клетки БКЧ, продуцируемые в результате периклинального деления инициалей БКЧ и эпиблемы, в течение некоторого времени способны делиться в антиклинальной плоскости, что наряду с растяжением клеток обеспечивает рост БКЧ вдоль оси корня [9, 10]. Клетки БКЧ не имеют статолитов и дифференцируются только в секреторные клетки [2, 11].

Сразу после прорастания семени в ювенильном корневом чехлике A. thaliana наблюдается четыре (реже – три) слоя клеток, включая инициали [12, 13]. К пятому дню после прорастания размер корневого чехлика обычно достигает пяти клеточных слоев, такой орган считается зрелым. На этом этапе запускается регулярное удаление внешнего слоя корневого чехлика, происходящие примерно каждые 36 ч [12, 14, 15].

В настоящее время описаны два механизма удаления старых клеток корневого чехлика: (1) их запрограммированная гибель в БКЧ и (2) слущивание живых клеток с поверхности корня в колумелле и БКЧ [1]. У A. thaliana механизмы запрограммированной гибели активируются в проксимальных клетках внешнего слоя БКЧ, которые находятся в транзитной зоне корня, расположенной на границе между меристематической зоной и зоной удлинения [4, 16] (рис. 2). Эти клетки погибают, после чего подвергаются быстрому активному автолизу. Таким образом, запрограммированная гибель является заключительным этапом развития клеток БКЧ. В процессе роста корня механизмы гибели последовательно активируются в ряду клонально-родственных клеток наружного слоя БКЧ, которые приходят на смену погибшим клеткам. По мере удаления этих клеток “внешним” становится более молодой слой БКЧ, в проксимальных клетках которого в свою очередь аналогичным образом активируются механизмы запрограммированной гибели.

 

Рис. 2. Процесс удаления старых клеток корневого чехлика. Цветовая кодировка (желтый, светло- и темно-зеленый, синий, фиолетовый) указывает на отдельные слои бокового корневого чехлика. Красным цветом отмечена запрограммированная гибель клеток (ЗГК) во внешнем слое бокового корневого чехлика. Ключевые события удаления внешнего слоя клеток корневого чехлика указаны тонкими стрелками. К ним относятся запрограммированная гибель клеток бокового корневого чехлика, автолиз погибших клеток, а также слущивание единого слоя живых клеток колумеллы.

 

Удаление клеток внешнего слоя корневого чехлика в его апикальной части, в том числе секреторных клеток колумеллы путем их слущивания в почву синхронизировано с гибелью клеток в проксимальной области БКЧ [4, 17–18]. Отделившиеся от корня клетки носят название пограничных [19–21]. В течение некоторого времени они остаются живыми и выполняют секреторную функцию, преобразуя физические и химические свойства окружающей корень среды, тем самым облегчая движение корня сквозь почву, защищая его от патогенов и обеспечивая взаимодействие с симбиотическими организмами (обзоры в [1, 11, 19, 20]). В отличие от многих видов, у которых с поверхности корня слущиваются отдельные клетки, у Brassicaceae, включая A. thaliana, отделение клеток происходит единым слоем с сохранением контактов между ними [21] (рис. 2). На первом этапе слущивания появляется разрыв во внешнем клеточном слое в проксимальной области БКЧ на уровне чуть выше покоящегося центра и начинается отслойка клеток этого слоя сверху вниз [4, 14, 15]. Этому событию предшествует деление инициалей колумеллы, что обеспечивает скоординированность процессов генерации и элиминации клеточных слоев в корневом чехлике [12]. Через некоторое время детектируется отделение наружного слоя клеток БКЧ, окружающих колумеллу [4, 14, 15]. Последними отделяются клетки внешнего слоя колумеллы. Отслоение обеспечивается путем реорганизации клеточных стенок [12, 22, 23]. Отделившийся слой пограничных клеток “соскальзывает” с кончика растущего корня и остается сбоку от него [14]. Весь процесс от начала и до конца слущивания занимает в среднем 18 ч, и примерно 18 ч проходит до инициации следующего слущивания [14]. Несмотря на сопряженность процессов генерации и элиминации клеточных слоев корневого чехлика, есть данные, что его размер все-таки немного прогрессирует с возрастом. В частности, Wein с соавт. [13] к 10 дню после прорастания наблюдали шесть клеточных слоев в составе колумеллы A. thaliana.

ГОРМОНАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ КЛЕТОЧНОЙ ДИНАМИКИ В КОРНЕВОМ ЧЕХЛИКЕ

Ауксин – основополагающий регулятор структуры корневого чехлика

Развитие корневого чехлика регулируется фитогормонами, из которых первостепенное значение имеет ауксин [24, 25]. В кончике корня A. thaliana максимум концентрации ауксина маркирует покоящийся центр, от которого вдоль центральной оси в проксимальном и дистальном направлениях снижается концентрация ауксина [26–29]. Ключевой вклад в формирование градиента ауксина в кончике корня вносит его активный транспорт, который обеспечивают белки-транспортеры семейства PINFORMED (PIN), а именно: PIN1, PIN2, PIN3, PIN4 и PIN7 [27]. Распределение этих белков на мембранах клеток корня (от равномерного до полярного) определяет направление потоков ауксина: акропетальный (по направлению кончику) – в стеле, базипетальный (по направлению к побегу) – в БКЧ и эпиблеме, разнонаправленный – в колумелле. Такая организация потоков ауксина обеспечивает формирование и правильное позиционирование максимума концентрации фитогормона [28, 29]. В колумелле перераспределение ауксина осуществляют белки PIN3, PIN4 и PIN7, в БКЧ – PIN2 [27, 30, 31].

Градиент ауксина с максимумом в покоящемся центре играет принципиальную роль при определении состояния клеток в растущем корне, оказывая существенное влияние на их способности к делению, росту и дифференцировке [32–34]. Так, повышение уровня ауксина путем экзогенной обработки проростков этим фитогормоном или ингибитором его транспорта (нафтилфталамовой кислотой), а также в трансгенных линиях с повышенным уровнем биосинтеза ауксина приводит к потере слоя инициалей колумеллы из-за их преждевременной дифференцировки в статоциты [24, 25]. Снижение уровня ауксина в результате мутаций, нарушающих биосинтез ауксина, передачу его сигнала или транспорт ауксина в колумелле, наоборот, приводит к формированию нескольких слоев инициалей колумеллы [24]. В то же время специфическое подавление сигнального пути ауксина в клетках покоящегося центра вызывает дифференцировку инициалей колумеллы [32]. Неоднозначность эффектов ауксина потенциально может объясняться комбинаторной моделью действия элементов сигнального пути ауксина [33, 35], а также взаимосвязью этого фитогормона с другими регуляторами поддержания ниши стволовых клеток, такими как транскрипционный фактор (ТФ) WUSCHEL HOMEOBOX 5 (WOX5) [36], PLETHORA (PLT) [37, 38], и регуляторным контуром SCARECROW (SCR)–SHORT ROOT (SHR)–RETINOBLASTOMA-RELATED (RBR) [39]. Таким образом, детали молекулярного механизма, опосредующего влияние ауксина на клетки корневого чехлика, еще только предстоит выяснить.

Взаимоотношения ауксина и цитокинина в регуляции клеточной динамики

Цитокинин известен как регулятор деления клеток [40, 41]. В корне концентрационный максимум цитокинина расположен в корневом чехлике, причем он характерен для всех трех наиболее активных цитокининов: изопентил-аденина, цис- и транс-зеатинов как в свободной, так и конъюгированной формах [42]. Высокий уровень цитокинина в корневом чехлике коррелирует с высоким уровнем экспрессии генов, кодирующих цитокинин-деактивирующие ферменты CKX (CYTOKININ OXIDASE/DEHYDROGENASE) и UGT (URIDINE DIPHOSPHATE GLUCOSYLTRANSFERASE). Все три рецептора цитокинина AHK2 (ARABIDOPSIS HISTIDINE KINASE 2), AHK3 и AHK4 экспрессируются также на самом высоком уровне в колумелле [43]. Сенсор цитокинина TCS:GFP, экспрессирующий GFP под контролем цитокинин-чувствительного синтетического промотора, выявляет цитокининовый сигнал в колумелле и БКЧ, начиная с четвертого дня после прорастания, и максимум сигнала приходится на периферические клетки колумеллы [44]. Высокий уровень сигнала цитокинина в колумелле не усиливается при обработке экзогенным цитокинином, что может говорить об его предельном уровне [45]. Определение содержания цитокинина и ауксина в одной и той же клеточной популяции с помощью сортировки флуоресцентно активированных клеток и жидкостной хроматографии с тандемной масс-спектрометрией показало, что в корневом чехлике уровень цитокинина выше, чем ауксина [42], при этом именно ауксин увеличивает здесь концентрацию цитокинина [44]. С другой стороны, в БКЧ цитокинин быстро снижает уровень свободного ауксина за счет фактора цитокининового ответа ARABIDOPSIS RESPONSE REGULATOR 1 (ARR1), напрямую контролирующего транскрипцию внутриклеточного транспортера ауксина PIN5 и конъюгатора ауксина GRETCHEN HAGEN 3.17 (GH3.17) [46]. PIN5 перекачивает ауксин из цитоплазмы в эндоплазматический ретикулум, где GH3.17 инактивирует его связыванием с аминокислотами. Наряду с GH3.17 цитокинин в БКЧ также повышает через ARR1 уровень других конъюгаторов ауксина GH3.5 и GH3.6. Таким образом, цитокинин модулирует базипетальный поток ауксина через БКЧ и тем самым регулирует градиент ауксина в кончике корня.

Гормональная настройка клеточной динамики путем модуляции сигнала ауксина

Многие гормоны, например, салициловая кислота, осуществляют контроль дифференцировки клеток колумеллы через регуляцию распределения ауксина. У мутантов с повышенным эндогенным уровнем салициловой кислоты или при обработке низкими дозами этого гормона (10 мкМ) в течение 5 дней инициали колумеллы накапливают крахмал, т. е. преждевременно дифференцируются в клетки колумеллы, при этом у 40–70% растений слой инициалей колумеллы вообще исчезает [47]. Напротив, обработка в течение такого же срока салициловой кислотой с немного более высокой концентрацией (30 мкМ) приводит к образованию двух-четырех дополнительных слоев клеток, которые экспрессируют маркеры как покоящегося центра (WOX5), так и инициалей колумеллы (J2341), и в которых отсутствуют крахмальные гранулы [48]. Обработка еще более высокими концентрациями (150 мкМ) не меняет структуру колумеллы, но увеличивает размер ее клеток и ингибирует в них образование крахмала.

Различия в реакциях колумеллы на разные дозы салициловой кислоты можно объяснить различным влиянием этих доз на распределение ауксина [47–50]. При обработке низкой дозой салициловой кислоты (30 мкМ) концентрация ауксина в колумелле повышается за счет увеличения его биосинтеза и уровня PIN1, приносящего ауксин из стебля, а также за счет подавления PIN2 и PIN7, перераспределяющих ауксин в базипетальный поток [48]. Повышенный уровень ауксина приводит к преждевременной дифференцировке инициалей колумеллы. Более высокие концентрации салициловой кислоты снижают уровни ауксина в покоящемся центре и в инициалях колумеллы, главным образом за счет ингибирования PIN1, что приводит к приостановке дифференцировки. Длительная обработка низкими концентрациями салициловой кислоты также приводит к нарушению плоскостей и увеличению числа делений инициалей БКЧ и эпиблемы.

Повышение эндогенного уровня брассиностероидов или обработка этими гормонами в концентрациях от 1 наномоля и выше вызывают появление крахмальных зерен в инициалях колумеллы, т. е. их дифференцировку [51]. Уже при 1 наномоле брассиностероидов у 18% растений дифференцируется весь слой инициалей колумеллы [52]. Наряду с этим уменьшается уровень крахмала в клетках колумеллы, и в нескольких клетках в ее нижних рядах крахмальные зерна вообще не определяются. Снижение биосинтеза брассиностероидов или обработка их низкими концентрациями (от фемто до 0.1 наномоля) имеют противоположный результат, т. е. ингибируют дифференцировку дочерних клеток инициалей колумеллы, что приводит к появлению двух слоев инициалей колумеллы и процент растений с этой аномалией растет вместе с концентрацией в вышеуказанных пределах. Одновременно с этим падает число слоев колумеллы и при обработке 0.1 наномолем брассиностероида около 25%, 68% и 7% растений имеют, соответственно, четыре, три и два слоя. Сигнальный путь брассиностероидов при переходе гормонального сигнала от рецепторов, киназ и фосфатаз к ТФ разделяется на BZR1 (BRASSINAZOLE-RESISTANT 1) и BES1 (BRI1-EMS-SUPPRESSOR 1) опосредованные сигнальные каскады [53], из которых BES1 активирует дифференцировку клеток колумеллы [51], в то время как BZR1 каскад ее подавляет [52]. BZR1 каскад частично действует через уменьшение стимуляции ауксином дифференцировки клеток колумеллы.

В корнях, обработанных жасмоновой кислотой, происходит комплексное нарушение дифференцировки колумеллы, так как маркер инициалей колумеллы регистрируется более чем в одном слое, но при этом часть инициалей колумеллы имеет крахмальные зерна [54]. Показано, что индуцируемый жасмонатами ТФ MYC2 подавляет экспрессию генов ТФ PLT1 и PLT2, участвующих в ауксиновом контроле дифференцировки колумеллы.

В корне у 5-дневных проростков абсцизовая кислота (АБК) имеет наибольший уровень в покоящемся центре и колумелле, и этот уровень значительно снижается, начиная с 10-го дня после прорастания [13, 55]. Обработка АБК 5-дневных проростков дает наиболее высокий сигнал также в кончике корня с максимумом в колумелле, но при обработке 10–15 дневных проростков сигнал в корне гораздо слабее и примерно одинаков для всех типов клеток [13]. Блокирование биосинтеза АБК приводит к накоплению крахмала не только в инициалях колумеллы, но и в покоящемся центре [56]. Подавление АБК дифференцировки дочерних клеток инициалей колумеллы требует участия двух ауксин-индуцируемых генов, WOX5 и AUXIN RESPONSE FACTOR 5/MONOPTEROS (ARF5/MP) [56–58].

В колумелле этилен увеличивает число слущенных слоев, а ингибитор биосинтеза этилена (2-aminoethoxyvinyl glycine, AVG) уменьшает их число [12]. Эндогенный этилен синтезируется во внешнем и подлежащем слоях БКЧ, где специфически экспрессируется ACS8 (1-aminocyclopropane-1-carboxylate synthase 8) катализирующая, как и остальные ACS лимитирующую стадию в биосинтезе этилена [59]. Обработка ауксином значительно повышает экспрессию ACS8 в этих слоях. Обработка этиленом увеличивает интенсивность сигнала ауксина в БКЧ и это увеличение зависит от AUX1 транспортера ауксина, т. е. связано с перераспределением этого гормона [60]. Гиббереллин усиливает ауксиновый сигнал в колумелле [61].

ГЕНЕТИЧЕСКАЯ РЕГУЛЯЦИЯ ПЕРЕХОДА ОТ ДЕЛЕНИЙ К ДИФФЕРЕНЦИРОВКЕ КЛЕТОК В КОРНЕВОМ ЧЕХЛИКЕ

Генетический анализ и локализация экспрессии генов в колумелле показали, что переход клеток от делений к дифференцировке находится под контролем нескольких независимых регуляторных путей [5]. Один из них включает ТФ FEZ и SMB семейства NAC (NAM, ATAF and CUC), а также WOX5 семейства WUSCHEL, домены экспрессии которых приведены на рис. 3. ТФ FEZ активирует клеточные деления в инициалях корневого чехлика и снижение его активности приводит к уменьшению числа слоев в колумелле и БКЧ [18]. Количество FEZ в клетке ограничивается по принципу отрицательной обратной связи путем активации гена SMB. ТФ SMB подавляет ген FEZ в дочерних клетках инициалей колумеллы, ограничивая таким образом их способность к делению и стимулируя дифференцировку. WOX5 экспрессируется в покоящемся центре, где он препятствует делению клеток [57, 62]. С другой стороны, WOX5 в покоящемся центре активирует неустановленные до настоящего времени сигнальные компоненты, которые, мигрируя в инициали колумеллы, подавляют экспрессию SMB и тем самым снимают ингибирование с FEZ, стимулируя деление инициалей [5, 63]. Помимо этого, WOX5 поддерживает способность инициалей колумеллы к делению, подавляя ген ТФ CYCLING DOF FACTOR 4 (CDF4), избыток которого приводит к преждевременной дифференцировке инициалей [64]. Соответственно, у мутантов wox5 инициали колумеллы начинают дифференцироваться и накапливать крахмал, тогда как сверхэкспрессия WOX5 приводит к остановке дифференцировки дочерних клеток инициалей не только колумеллы, но и БКЧ [57, 64].

 

Рис. 3. Регуляция деления и дифференцировки клеток колумеллы: а – распределение регуляторов в корневом чехлике. Красный цвет шкалы соответствует максимальному уровню (MAX), синий – минимальному детектируемому уровню (MIN). Белый цвет отражает отсутствие регулятора в клетках. Каждый регулятор имеет свой максимальный и минимальный уровень. Белки указаны полужирным прямым текстом, транскрипты – курсивом. ПЦ – покоящийся центр, ИК – инициали колумеллы, К1–К4 – дифференцированные клетки колумеллы; б – генетическое взаимодействие регуляторов делений и дифференцировки клеток. Пунктиром указано гипотетическое взаимодействие (требует дальнейшего изучения).

 

Дифференцированные клетки колумеллы продуцируют пептидные гормоны CLAVATA3/EMBRYO SURROUNDING REGION-RELATED 40 (CLE40), CLE16 и CLE17 [65, 66], сигналы которых воспринимаются протеинкиназным рецепторным комплексом CLAVATA1 (CLV1)-ARABIDOPSIS CRINKLY4 (ACR4), вызывая дифференцировку клеток колумеллы путем подавления WOX5 [65–67] (рис. 3). Посредником выступает фосфатаза PROTEIN PHOSPHATASE 2A (PP2A), на каталитическую субъединицу которой, PP2A-3, посттрансляционно воздействует ACR4 [68]. Еще одним участником сигнального пути CLE пептидов в поддержании дифференцированного состояния клеток колумеллы является E3 убиквитинлигаза PLANT U-BOX4 (PUB4) [69].

Регуляторный путь, связанный с ауксином, включает в себя ТФ AUXIN RESPONSE FACTOR 10 (ARF10) и ARF16, опосредующих транскрипционный ответ генов на этот фитогормон, а также микроРНК miR160, для которой мРНК ARF10 и ARF16 являются прямыми мишенями [24, 70] (рис. 3). В то время как обработка ауксином стимулирует дифференцировку клеток колумеллы и снижает скорость деления инициалей [24, 25], miR160 активирует деление инициалей, подавляя ARF10 и ARF16 [70]. Сверхэкспрессия miR160 или мутации генов ARF10 и ARF16 приводят к неконтролируемым делениям клеток в колумелле и блокируют их дифференцировку, в результате чего формируется опухоль на кончике корня и утрачивается гравитропизм. В поддержании стволового состояния инициалей колумеллы участвует также ген ULTRAPETALA1 (ULT1) [71]. Мутация этого гена приводит к преждевременной дифференцировке инициалей колумеллы. У мутантов снижен ауксиновый сигнал в колумелле, однако пока неясно, является ли именно это причиной наблюдаемого фенотипа.

ТФ RBR стимулирует завершение клеточного цикла и дифференцировку в дочерних клетках инициалей колумеллы, работая в рамках регуляторного контура SCR–SHR–RBR [39, 72]. Стоит отметить, что RBR и ARF10/ARF16 регулируют активность инициалей колумеллы независимо от FEZ [5].

Быстрая дифференцировка клеток колумеллы сразу после одного деления стволовой клетки сопровождается уникальным статусом хроматина в этих клетках [73]. У A. thaliana клетки колумеллы имеют наиболее метилированную ДНК по сравнению с другими тканями, преимущественно гиперметилированы мобильные элементы. Гиперметилирование осуществляется значимо повышенным количеством малых РНК длиной 24 нуклеотида и транскриптов, кодирующих других участников процесса РНК-направленного метилирования ДНК. При этом в клетках колумеллы не активен ген DECREASED DNA METHYLATION 1 (DDM1) и снижено количество транскриптов гистонов, что также указывает на особое состояние эпигенома. О важности эпигенетической регуляции в дифференцировке клеток колумеллы говорит также то, что потеря функции гистон ацетилтрансферазы GENERAL CONTROL NONDEREPRESSIBLE 5 (GCN5) или ассоциированного с ней фактора ALTERATION/DEFICIENCY IN ACTIVATION 2B (ADA2b) снижает число дифференцированных слоев в колумелле [74]. При этом у части мутантов gcn5 крахмальные зерна, маркирующие дифференцировку, находили в инициалях колумеллы и даже в покоящемся центре, а у ada2b был снижен уровень ауксина в колумелле. Выявлена также роль метаболитов в регуляции дифференцировки клеток колумеллы. Нарушения метаболизма липидов, такие как снижение уровня неспецифических фосфолипаз С или фосфатидилглицерофосфатфосфатазы 1, приводят к делениям дифференцирующихся и дифференцированных клеток колумеллы [75; 76]. В случае мутантов по генам неспецифических фосфолипаз С аномальные деления прекращаются при добавлении фосфохолина, продукта активности этих ферментов [75].

Механизмы перехода клеток БКЧ от делений к дифференцировке исследованы в меньшей степени, чем для клеток колумеллы. В БКЧ, как и в колумелле, работает модуль FEZ–SMB [18]. У растений со сверхэкспрессией гена теплового шока HsfB4 (class B-heat shock factor 4) наблюдаются дополнительные деления в дочерних клетках инициалей БКЧ и эпиблемы, что приводит к дополнительным слоям в БКЧ и его удлинению до зоны дифференцировки [77]. У мутантов по генам TORNADO1 (TRN1) и TRN2 клетки инициалей БКЧ и эпиблемы делятся аномально, и во многих вертикальных рядах БКЧ развивается вместо эпиблемы [78]. Это подтверждено наличием молекулярного маркера БКЧ и более ранней вакуолизацией клеток в таких рядах по сравнению с клетками эпиблемы, их более толстыми стенками и их гибелью в начале зоны удлинения, что приводит к разрывам в эпиблеме [78]. Увеличение числа инициалей БКЧ и числа слоев БКЧ вызывается также эктопической экспрессией генов PLT, в то время как потеря их функции снижает число слоев БКЧ [79]. Активность гена PLT1 подавляется связыванием с его промотором комплекса ТФ GROWTH-REGULATING FACTOR (GRF) с его кофакторами GRF-INTERACTING FACTORs (GIFs), которые не имеют ДНК связывающего домена [80]. Потеря функции одного из трех GIF кофакторов AN3 увеличивает число слоев в БКЧ.

ГЕНЕТИЧЕСКАЯ РЕГУЛЯЦИЯ УДАЛЕНИЯ КЛЕТОК КОРНЕВОГО ЧЕХЛИКА

Запрограммированная гибель клеток корневого чехлика

Гибель клеток БКЧ в транзитной зоне корня является финальным этапом процесса их дифференцировки [4]. Инициация механизмов гибели клеток БКЧ сопровождается актива цией генов аспарагиновой протеазы PUTATIVE ASPARTIC PROTEINASE A3 (PASPA3), нуклеазы BIFUNCTIONAL NUCLEASE 1 (BFN1), рибонуклеазы RIBONUCLEASE3 (RNS3), а также ряда других известных маркеров запрограммированной клеточной гибели [4, 81, 82]. Активация PASPA3 является первым признаком подготовки клеток БКЧ к гибели [4]. Непосредственно запуск гибели клеток сопровождается резким падением pH цитоплазмы, которое предшествует повышению проницаемости плазмалеммы и разрушению вакуоли. Ферментативная активность BFN1 в отношении нуклеиновых кислот реализуется уже в погибших клетках на стадии автолиза: фермент высвобождается в цитоплазму только после разрушения эндоплазматического ретикулума. Соответственно, у мутантов с потерей функции bfn1-1 задерживается деградация ядер погибших клеток БКЧ. Примечательно, что в клетках БКЧ на стадии, предшествующей запрограммированной гибели клеток, специфически экспрессируется фосфолипаза PLDζ2, гидролизирующая мембранные липиды [83]. Также в корневом чехлике перед запрограммированной гибелью клеток активируется ген ATAO1, кодирующий медно-аминную оксидазу, окисляющую путресцин до альдегида, аммиака и пероксида водорода [84].

Запрограммированную гибель клеток БКЧ независимо регулируют ТФ SMB и ANAC087, специфичные для корневого чехлика (лишь небольшое количество ANAC087 обнаруживается также в эпиблеме и клетках сосудов ксилемы) [4, 82]. Эктопическая экспрессия генов, кодирующих эти ТФ, инициирует гибель клеток за пределами чехлика [82]. SMB и ANAC087 регулируют активность генов BFN1 и RNS3. Соответственно, у мутантов anac087, как и у bfn1-1, нарушена деградация ядерной ДНК в погибших клетках БКЧ [82]. Мутация smb ведет к более кардинальным изменениям: гибель клеток задерживается, и БКЧ приобретает увеличенное число клеток и заходит в зону удлинения, что свидетельствует о основополагающей роли этого ТФ в инициации гибели клеток БКЧ [4]. Белок цинковых пальцев ZINC FINGER OF ARABIDOPSIS THALIANA 14 (ZAT14) функционирует как репрессор в генной сети, активируемой SMB и регулирующей запрограммированную гибель клеток в корневом чехлике [85].

Недавно было показано, что продолжительность жизни слущивающихся клеток колумеллы A. thaliana также регулируется путем их программируемой гибели, запуск которой контролируют ТФ ANAC087 и ANAC046 [82].

Слущивание дистального слоя клеток корневого чехлика

Принципиальным событием в слущивании дистального слоя клеток корневого чехлика является реорганизация клеточных стенок [86]. ТФ SMB, BEARSKIN 1 (BRN1), BRN2 и NIN-LIKE PROTEIN 7 (NLP7) регулируют созревание клеток корневого чехлика и модификацию их клеточных стенок [17, 87, 88]. BRN1 и BRN2 активируются в клетках, расположенных на поверхности корневого чехлика; в БКЧ их экспрессия зависит от ТФ SMB [87]. BRN1 и BRN2 активируют ген пектиназы ROOT CAP POLYGALACTURONASE (RCPG). Функционирование этого фермента способствует отделению клеток.

Как мы упоминали выше, характерной особенностью Brassicaceae, включая A. thaliana, является слущивание пограничных клеток корневого чехлика единым слоем с сохранением контактов между ними [21]. Такой характер отделения клеток обеспечивает ТФ NLP7, ключевой регулятор передачи нитратного сигнала [88]. Он инициируется низкими значениями pH и активен в пограничных клетках. У проростков A. thaliana с мутацией npl7 слущиваются отдельные клетки, и мутантный фенотип зависит от экспрессии гена CELLULASE 5 (CEL5). Помимо этого, у мутантов активируются гены других ферментов, активных в отношении полисахаридов клеточных стенок (в частности, ксилоглюкан-специфичные гликозил-гидролазы и пектин-лиазы), а также ТФ SMB, BRN1 и BRN2.

Аутофагия как процесс деградации клеточных компонентов через формирование аутофагосом и аутофагического потока к лизосомам и вакуолям, где происходит их лизис, значимо усиливается перед запрограммированной гибелью клеток БКЧ и слущиванием клеток в колумелле [15, 89]. Этому способствует активация AUTOPHAGY GENE 2 (ATG2), ATG5 и ATG7 [89]. В колумелле мутация ATG5 приводит к слущиванию отдельных клеток вместо целого слоя и задержке их гибели [15, 89].

СИНХРОНИЗАЦИЯ ДЕЛЕНИЯ ИНИЦИАЛЕЙ И СЛУЩИВАНИЯ ДИСТАЛЬНОГО СЛОЯ КЛЕТОК

В корневом чехлике деление инициалей компенсирует слущивание его последнего слоя, и координация этих процессов градиентом ауксина в значительной степени обеспечивает постоянный размер органа [12, 14]. Так, ТФ NLP7 оказывает влияние на ауксиновый сигнал в клетках внешнего слоя корневого чехлика в ответ на дефицит азота [80]. Мутация nlp7 усиливает ауксиновый сигнал во внешнем слое клеток колумеллы за счет изменения транспорта ауксина, что сопровождается снижением митотической активности и дифференцировкой стволовых клеток колумеллы. Более того, у мутанта снижается экспрессия WOX5. Это подтверждает роль ауксина в синхронизации делений и слущивания.

Cигнальный пептид IDA-LIKE 1 (IDL1) и его рецептор HAESA-LIKE 2 (HSL2), по-видимому, координируют динамику слущивания и образования новых слоев дочерних клеток инициалей [14]. IDL1 активен преимущественно в двух последних (периферических) слоях колумеллы, которые будут последовательно слущиваться друг за другом. HSL2, наоборот, экспрессируется в верхних слоях колумеллы и в молодых клетках БКЧ. Повышенная экспрессия IDL1 увеличивает частоту слущивания слоев за счет сокращения интервала между слущиванием слоев вплоть до отделения двух слоев одновременно. При этом, если IDL1 сверхэкспрессируется в hsl2 мутанте, удаление клеток нарушается расщеплением слущивающегося слоя на границе между колумеллой и БКЧ или, наоборот, отсутствием слущивания в районе БКЧ.

Обобщая все сказанное выше, обновление клеток корневого чехлика происходит путем регулярных делений инициалей, дочерние клетки которых дифференцируются в клетки колумеллы и БКЧ, при этом старые дифференцированные клетки удаляются путем запрограммированной гибели (клетки БКЧ выше покоящегося центра) или слущивания в почву (клетки БКЧ ниже покоящегося центра и клетки колумеллы). У A. thaliana процессы поступления и удаления клеток достаточно строго синхронизированы, что позволяет поддерживать постоянный размер корневого чехлика. В настоящее время описаны гормональные регуляторы этих процессов, ключевым среди которых является ауксин. Определен ряд генетических регуляторов, некоторые из которых объединяются в регуляторные контуры. То, что одни и те же гены зачастую контролируют разные стадии обновления корневого чехлика (например, SMB), говорит об их прямой или косвенной вовлеченности в координацию процессов деления и удаления клеток. Градиент ауксина в колумелле, вероятнее всего, является основополагающим механизмом синхронизации этих двух процессов. Однако явные связи между ауксином и другими потенциальными координаторами на сегодняшний день не установлены. Таким образом, реконструкция целостной динамической сети регуляции обновления корневого чехлика – вопрос будущего.

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда, грант № 20-14-00140.

Авторы искренне благодарны В.В. Лаврехе за продуктивное обсуждение статьи.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Настоящая работа не содержит каких-либо исследований с участием людей и животных в качестве объектов исследования.

×

About the authors

В. А. Черенко

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение “Федеральный исследовательский центр Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук”; Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования “Новосибирский национальный исследовательский государственный университет”

Email: ezemlyanskaya@bionet.nsc.ru
Russian Federation, Новосибирск; Новосибирск

Н. А. Омельянчук

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение “Федеральный исследовательский центр Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук”

Email: ezemlyanskaya@bionet.nsc.ru
Russian Federation, Новосибирск

Е. В. Землянская

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение “Федеральный исследовательский центр Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук”; Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования “Новосибирский национальный исследовательский государственный университет”

Author for correspondence.
Email: ezemlyanskaya@bionet.nsc.ru
Russian Federation, Новосибирск; Новосибирск

References

  1. Ganesh A., Shukla V., Mohapatra A., George A. P., Bhukya D.P.N., Das K.K., Kola V.S.R., Suresh A., Ramireddy E. Root cap to soil interface: a driving force toward plant adaptation and development // Plant Cell Physiol. 2022. V. 638. P. 1038. https://doi.org/10.1093/pcp/pcac078
  2. Arnaud C., Bonnot C., Desnos T., Nussaume L. The root cap at the forefront // C. R. Biol. 2010. V. 333. P. 335. https://doi.org/10.1016/j.crvi.2010.01.011
  3. Dolan L., Janmaat K., Willemsen V., Linstead P., Poethig S., Roberts K., Scheres B. Cellular organisation of the Arabidopsis thaliana root // Development. 1993. V. 119. P. 71. https://doi.org/10.1242/dev.119.1.71
  4. Fendrych M., Hautegem T.V., Durme M.V. Olvera-Carrillo Y., Huysmans M., Karimi M., Lippens S., Guérin C.J., Krebs M., Schumacher K., Nowack M.K. Programmed cell death controlled by ANAC033/SOMBRERO determines root cap organ size in Arabidopsis // Curr. Biol. 2014. V. 24. P. 931. https://doi.org/10.1016/J.CUB.2014.03.025
  5. Bennett T., van den Toorn A., Willemsen V., Scheres B. Precise control of plant stem cell activity through parallel regulatory inputs // Development. 2014. V. 141. P. 4055. https://doi.org/10.1242/DEV.110148
  6. Sack F.D., Kiss J.Z. Root cap structure in wild type and in a starchless mutant of Arabidopsis // Am. J. Bot. 1989. V. 76. P. 454. https://doi.org/10.1002/j.1537-2197.1989.tb11334.x
  7. Iijima M., Morita S., Barlow P.W. Structure and function of the root cap // Plant Prod. Sci. 2008. V. 11. P. 17. https://doi.org/10.1626/pps.11.17
  8. Maeda K., Kunieda T., Tamura K., Hatano K., Hara-Nishimura I., Shimada T. Identification of periplasmic root-cap mucilage in developing columella cells of Arabidopsis thaliana // Plant Cell Physiol. 2019. V. 60. P. 1296. https://doi.org/10.1093/pcp/pcz047
  9. Wenzel C.L., Rost T.L. Cell division patterns of the protoderm and root cap in the “closed” root apical meristem of Arabidopsis thaliana // Protoplasma. 2001. V. 218. P. 203. https://doi.org/10.1007/BF01306609
  10. Campilho A., Garcia B., Toorn H.V., Wijk H.V., Campilho A., Scheres B. Time-lapse analysis of stem-cell divisions in the Arabidopsis thaliana root meristem // Plant J. 2006. V. 48. P. 619. https://doi.org/10.1111/j.1365-313X.2006.02892.x
  11. Kumpf R.P., Nowack M.K. The root cap: a short story of life and death // J. Exp. Bot. 2015. V. 66. P. 5651. https://doi.org/10.1093/JXB/ERV295
  12. Dubreuil C., Jin X., Grönlund A., Fischer U. A Local auxin gradient regulates root cap self-renewal and size homeostasis // Curr. Biol. 2018. V. 28. P. 2581. https://doi.org/10.1016/J.CUB.2018.05.090
  13. Wein A., Le Gac A.L., Laux T. Stem cell ageing of the root apical meristem of Arabidopsis thaliana // Mech. Ageing Dev. 2020. V. 190. P. 111313. https://doi.org/10.1016/j.mad.2020.111313
  14. Shi C.-L., von Wangenheim D., Herrmann U., Wildhagen M., Kulik I., Kopf A., Ishida T., Olsson V., Anker M.K., Albert M., Butenko M.A., Felix G., Sawa S., Claassen M., Friml J., Aalen R.B. The dynamics of root cap sloughing in Arabidopsis is regulated by peptide signalling // Nat. Plants. 2018. V. 4. P. 596. https://doi.org/10.1038/s41477-018-0212-z
  15. Goh T., Sakamoto K., Wang P., Kozono S., Ueno K., Miyashima S., Toyokura K., Fukaki H., Kang B.-H., Nakajima K. Autophagy promotes organelle clearance and organized cell separation of living root cap cells in Arabidopsis thaliana // Development. 2022. V. 149. https://doi.org/10.1242/dev.200593
  16. Xuan W., Band L. R., Kumpf R.P., Van Damme D., Parizot B., De Rop G., Opdenacker D., Möller B. K., Skorzinski N., Njo M.F., De Rybel В., Audenaert D., Nowack M.K., Vanneste S., Beeckman T. Cyclic programmed cell death stimulates hormone signaling and root development in Arabidopsis // Science. 2016. V. 351. P. 384. https://doi.org/10.1126/science.aad2776
  17. Bennett T., van den Toorn A., Sanchez-Perez G.F., Campilho A., Willemsen V., Snel B., Scheres B. SOMBRERO, BEARSKIN1, and BEARSKIN2 regulate root cap maturation in Arabidopsis // The Plant Cell. 2010. V. 22. P. 640. https://doi.org/10.1105/tpc.109.072272
  18. Willemsen V., Bauch M., Bennett T., Campilho A., Wolkenfelt H., Xu J., Haseloff J., Scheres B. The NAC domain transcription factors FEZ and SOMBRERO control the orientation of cell division plane in Arabidopsis root stem cells // Dev. Cell. 2008. V. 15. P. 913. https://doi.org/10.1016/j.devcel.2008.09.019
  19. Hawes M.C., Brigham L.A., Wen F., Woo H.H., Zhu Y. Function of root border cells in plant health: pioneers in the rhizosphere // Annu. Rev. Phytopathol. 1998. V. 36. P. 311. https://doi.org/10.1146/annurev.phyto.36.1.311
  20. Hawes M.C., Gunawardena U., Miyasaka S., Zhao X. The role of root border cells in plant defense // Trends Plant Sci. 2000. V. 5. P. 128. https://doi.org/10.1016/s1360-1385(00)01556-9
  21. Vicré M., Santaella C., Blanchet S., Gateau A., Driouich, A. Root border-like cells of Arabidopsis. Microscopical characterization and role in the interaction with Rhizobacteria // Plant Physiol. 2005. V. 138. P. 998. https://doi.org/10.1104/pp.104.051813
  22. Hawes M. C. Bengough G., Cassab G., Ponce G. Root caps and Rhizosphere // J. Plant Growth Regul. 2003. V. 21. P. 352. https://doi.org/10.1007/s00344-002-0035-y
  23. Driouich A., Durand C., Vicré-Gibouin M. Formation and separation of root border cells // Trends Plant Sci. 2007. V. 12. P. 14.
  24. Ding Z., Friml J. Auxin regulates distal stem cell differentiation in Arabidopsis roots // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2010. V. 107. P. 12046. https://doi.org/10.1073/pnas.1000672107
  25. Hong J.H., Chu H., Zhang C., Ghosh D., Gong X., Xu L. A quantitative analysis of stem cell homeostasis in the Arabidopsis columella root cap // Front. Plant Sci. 2015. V. 6. P. 206. https://doi.org/10.3389/fpls.2015.00206
  26. Zazímalová E., Krecek P., Skůpa P., Hoyerová K., Petrásek J. Polar transport of the plant hormone auxin – the role of PIN-FORMED (PIN) proteins // Cell. Mol. Life Sci. 2007. V. 64. P. 1621. https://doi.org/10.1007/s00018-007-6566-4
  27. Křeček P., Skůpa P., Libus J., Naramoto S., Tejos R., Friml J., Zažímalová E. The PIN-FORMED (PIN) protein family of auxin transporters // Genome Biol. 2009. V. 10. P. 249. https://doi.org/10.1186/gb-2009-10-12-249
  28. Grieneisen V.A., Xu J., Marée A.F., Hogeweg P., Scheres B. Auxin transport is sufficient to generate a maximum and gradient guiding root growth // Nature. 2007. V. 449. P. 1008. https://doi.org/10.1038/nature06215
  29. Mironova V.V., Omelyanchuk N.A., Yosiphon G., Fadeev S.I., Kolchanov N.A., Mjolsness E., Likhoshvai V.A. A plausible mechanism for auxin patterning along the developing root // BMC Syst. Biol. 2010. V. 4. P. 98. https://doi.org/10.1186/1752-0509-4-98
  30. Swarup R., Friml J., Marchant A., Ljung K., Sandberg G., Palme K., Bennett, M. Localization of the auxin permease AUX1 suggests two functionally distinct hormone transport pathways operate in the Arabidopsis root apex // Genes Dev. 2001. V. 15. P. 2648. https://doi.org/10.1101/gad.210501
  31. Band L.R., Wells D.M., Fozard J.A., Ghetiu T., French A.P., Pound M.P., Wilson M.H., Yu L., Li W., Hijazi H.I., Oh J., Pearce S.P., Perez-Amador M.A., Yun J., Kramer E. et al. Systems analysis of auxin transport in the Arabidopsis root apex // Plant Cell. 2014. V. 26. P. 862. https://doi.org/10.1105/tpc.113.119495
  32. Tian H., Niu T., Yu Q., Quan T., Ding Z. Auxin gradient is crucial for the maintenance of root distal stem cell identity in Arabidopsis // Plant Signal. Behav. 2013. V. 8: e26429. https://doi.org/10.4161/psb.26429
  33. Martin-Arevalillo R., Vernoux T. Decoding the auxin matrix: auxin biology through the eye of the computer // Annu. Rev. Plant Biol. 2023. V. 74. P. 387. https://doi.org/10.1146/annurev-arplant-102720-033523
  34. Zhang Q., Gong M., Xu X., Li H., Deng W. Roles of auxin in the growth, development, and stress tolerance of horticultural plants // Cells. 2022. V. 11. P. 2761. https://doi.org/10.3390/cells11172761
  35. Caumon H., Vernoux T. A matter of time: auxin signaling dynamics and the regulation of auxin responses during plant development // J. Exp. Bot. 2023. V. 74. P. 3887. https://doi.org/10.1093/jxb/erad132
  36. Tian H., Wabnik K., Niu T., Li H., Yu Q., Pollmann S., Vanneste S., Govaerts W., Rolcík J., Geisler M., Friml J., Ding Z. WOX5-IAA17 feedback circuit-mediated cellular auxin response is crucial for the patterning of root stem cell niches in Arabidopsis // Mol. Plant. 2014. V. 7. P. 277. https://doi.org/10.1093/mp/sst118
  37. Aida M., Beis D., Heidstra R., Willemsen V., Blilou I., Galinha C., Nussaume L., Noh Y. S., Amasino R., Scheres B. The PLETHORA genes mediate patterning of the Arabidopsis root stem cell niche // Cell. 2004. V. 119. P. 109. https://doi.org/10.1016/j.cell.2004.09.018
  38. Blilou I., Xu J., Wildwater M., Willemsen V., Paponov I., Friml J., Heidstra R., Aida M., Palme K., Scheres B. The PIN auxin efflux facilitator network controls growth and patterning in Arabidopsis roots // Nature. 2005. V. 433. P. 39. https://doi.org/10.1038/nature03184
  39. Cruz-Ramírez A., Díaz-Triviño S., Blilou I., Grieneisen V.A., Sozzani R., Zamioudis C., Miskolczi P., Nieuwland J., Benjamins R., Dhonukshe P., Caballero-Pérez J., Horvath B., Long Y., Mähönen A.P., Zhang H. et al. A bistable circuit involving SCARECROW-RETINOBLASTOMA integrates cues to inform asymmetric stem cell division // Cell. 2012. V. 150. P. 1002. https://doi.org/10.1016/j.cell.2012.07.017
  40. Yang W., Cortijo S., Korsbo N., Roszak P., Schiessl K., Gurzadyan A., Wightman R., Jönsson H., Meyerowitz E. Molecular mechanism of cytokinin-activated cell division in Arabidopsis // Science. 2021. V. 371. P. 1350. https://doi.org/10.1126/science.abe2305
  41. Svolacchia N., Sabatini S. Cytokinins // Curr. Biol. 2023. V. 33. P. 10. https://doi.org/10.1016/j.cub.2022.11.022.
  42. Antoniadi I., Plačková L., Simonovik B., Doležal K., Turnbull C., Ljung K., Novák O. Cell-type-specific cytokinin distribution within the Arabidopsis primary root apex // Plant Cell. 2015. V. 27. P. 1955. https://doi.org/10.1105/tpc.15.00176
  43. Stolz A., Riefler M., Lomin S. N., Achazi K., Romanov G.A., Schmülling, T. The specificity of cytokinin signalling in Arabidopsis thaliana is mediated by differing ligand affinities and expression profiles of the receptors // Plant J. 2011. V. 67. P. 157. https://doi.org/10.1111/j.1365-313X.2011.04584.x
  44. Tsilimigka F., Poulios S., Mallioura A., Vlachonasios K. ADA2b and GCN5 affect cytokinin signaling by modulating histone acetylation and gene expression during root growth of Arabidopsis thaliana // Plants. 2022. V. 11. P. 1335. https://doi.org/10.3390/plants11101335
  45. Antoniadi I., Novák O., Gelová Z., Johnson A., Plíhal ., Simerský R., Mik V., Vain T., Mateo-Bonmatí E., Karady M., Pernisova M., Plačková L., Opassathian K., Hejátko J., Friml J. et al. Cell-surface receptors enable perception of extracellular cytokinins // Nat. Commun. 2020. V. 11. P. 4284. https://doi.org/10.1101/726125
  46. Di Mambro R., Svolacchia N., Ioio R. D., Pierdonati E., Salvi E., Pedrazzini E., Vitale A., Perilli S., Sozzani R., Benfey P. N., Busch W., Costantino P., Sabatini S. The lateral root cap acts as an auxin sink that controls meristem size // Curr. Biol. 2019. V. 29. P. 1199. https://doi.org/10.1016/j.cub.2019.02.022
  47. Wang Z., Rong D., Chen D., Xiao Y., Liu R., Wu S., Yamamuro C. Salicylic acid promotes quiescent center cell division through ROS accumulation and down-regulation of PLT1, PLT2, and WOX5 // J. Integr. Plant Biol. 2021. V. 63. P. 583. https://doi.org/10.1111/jipb.13020
  48. Pasternak T., Groot E.P., Kazantsev F.V., Teale W., Omelyanchuk N., Kovrizhnykh V., Palme K., Mironova V.V. Salicylic acid affects root meristem patterning via auxin distribution in a concentration-dependent manner // Plant Physiol. 2019. V. 180. P. 1725. https://doi.org/10.1104/pp.19.00130
  49. Ke M., Ma Z., Wang D., Sun Y., Wen C., Huang D., Chen Z., Yang L., Tan S., Li R., Friml J., Miao Y., Chen X. Salicylic acid regulates PIN2 auxin transporter hyperclustering and root gravitropic growth via Remorin-dependent lipid nanodomain organisation in Arabidopsis thaliana // New Phytol. 2021. V. 229. P. 963. https://doi.org/10.1111/nph.16915
  50. Armengot L., Marquès-Bueno M.M., Soria-Garcia A., Müller M., Munné-Bosch S., Martínez M.C. Functional interplay between protein kinase CK 2 and salicylic acid sustains PIN transcriptional expression and root development // Plant J. 2014. V. 78. P. 411. https://doi.org/10.1111/tpj.12481
  51. Gonzalez-García M.P., Vilarrasa-Blasi J., Zhiponova M., Divol F., Mora-García S., Russinova E., Caño-Delgado A.I. Brassinosteroids control meristem size by promoting cell cycle progression in Arabidopsis roots // Development. 2011. V. 138. P. 849. https://doi.org/10.1242/dev.057331
  52. Lee H.S., Kim Y., Pham G., Kim J.W., Song J.H., Lee Y., Hwang Y.-S., Roux S.J., Kim S.H. Brassinazole resistant 1 (BZR1)-dependent brassinosteroid signalling pathway leads to ectopic activation of quiescent cell division and suppresses columella stem cell differentiation // J. Exp. Bot. 2015. V. 66. P. 4835. https://doi.org/10.1093/jxb/erv316
  53. Wei Z., Li J. Brassinosteroids regulate root growth, development, and symbiosis // Mol. Plant. 2016. V. 9. P. 86. https://doi.org/10.1016/j.molp.2015.12.00
  54. Chen Q., Sun J., Zhai Q., Zhou W., Qi L., Xu L., Wang B., Chen R., Jiang H., Qi J., Li X., Palme K., Li C. The basic helix-loop-helix transcription factor MYC2 directly represses PLETHORA expression during jasmonate-mediated modulation of the root stem cell niche in Arabidopsis // Plant Cell. 2011. V. 23. P. 3335. https://doi.org/10.1105/tpc.111.089870
  55. Christmann A., Hoffmann T., Teplova I., Grill E., Muller A. Generation of active pools of abscisic acid revealed by in vivo imaging of water-stressed Arabidopsis // Plant Physiol. 2005. V. 137. P. 209. https://doi.org/10.1104/pp.104.053082
  56. Zhang H., Han W., De Smet I., Talboys P., Loya R., Hassan A., Rong H., Jürgens G., Knox J.P., Wang M.H. ABA promotes quiescence of the quiescent centre and suppresses stem cell differentiation in the Arabidopsis primary root meristem // Plant J. 2010. V. 64. P. 764. https://doi.org/10.1111/j.1365-313X.2010.04367.x
  57. Sarkar A.K., Luijten M., Miyashima S., Lenhard M., Hashimoto T., Nakajima K., Sheres B., Heidstra R., Laux T. Conserved factors regulate signalling in Arabidopsis thaliana shoot and root stem cell organizers // Nature. 2007. V. 446. P. 811. https://doi.org/10.1038/nature05703
  58. Hardtke C.S., Berleth T. The Arabidopsis gene MONOPTEROS encodes a transcription factor mediating embryo axis formation and vascular development // EMBO J. 1998. V. 17. P. 1405. https://doi.org/10.1093/emboj/17.5.1405
  59. Tsuchisaka A., Theologis A. Unique and overlapping expression patterns among the Arabidopsis 1-amino-cyclopropane-1-carboxylate synthase gene family members // Plant Physiol. 2004. V. 136. P. 2982. https://doi.org/10.1104/pp.104.049999
  60. Swarup R., Perry P., Hagenbeek D., Van Der Straeten D., Beemster G.T., Sandberg G., Bhalerao R., Ljung K., Bennett M. J. Ethylene upregulates auxin biosynthesis in Arabidopsis seedlings to enhance inhibition of root cell elongation // Plant Cell. 2007. V. 19. P. 2186. https://doi.org/10.1105/tpc.107.052100
  61. Li G., Zhu C., Gan L., Ng D., Xia K. GA 3 enhances root responsiveness to exogenous IAA by modulating auxin transport and signalling in Arabidopsis // Plant Cell Rep. 2015. V. 34. P. 483. https://doi.org/10.1007/s00299-014-1728-y
  62. Forzani C., Aichinger E., Sornay E., Willemsen V., Laux T., Dewitte W., Murray J.A. WOX5 suppresses CYCLIN D activity to establish quiescence at the center of the root stem cell niche // Curr. Biol. 2014. V. 24. P. 1939. https://doi.org/10.1016/j.cub.2014.07.019.
  63. Berckmans B., Kirschner G., Gerlitz N., Stadler R., Simon R. CLE40 signaling regulates root stem cell fate // Plant Physiol. 2020 V. 182. P. 1776. https://doi.org/10.1104/pp.19.00914
  64. Pi L., Aichinger E., van der Graaff E., Llavata-Peris C.I., Weijers D., Hennig L., Groot E., Laux T. Organizer-derived WOX5 signal maintains root columella stem cells through chromatin-mediated repression of CDF4 expression // Dev. Cell. 2015. V. 33. P. 576. https://doi.org/10.1016/j.devcel.2015.04.024
  65. Stahl Y., Wink R.H., Ingram G.C., Simon R. A signaling module controlling the stem cell niche in Arabidopsis root meristems // Curr. Biol. 2009. V. 19. P. 909. https://doi.org/10.1016/j.cub.2009.03.060
  66. Zhang L., Yang Y., Mu C., Liu M., Ishida T., Sawa S., Zhu Y., Pi L. Control of root stem cell differentiation and lateral root emergence by CLE16/17 peptides in Arabidopsis // Front. Plant Sci. 2022. V. 13. P. 869888. https://doi.org/10.3389/fpls.2022.869888
  67. Stahl Y., Grabowski S., Bleckmann A., Kühnemuth R., Weidtkamp-Peters S., Pinto K.G., Kirschner G.K., Schmid J.B., Wink R.H., Hülsewede A., Felekyan S., Seidel C.A., Simon R. Moderation of Arabidopsis root stemness by CLAVATA1 and ARABIDOPSIS CRINKLY4 receptor kinase complexes // Curr. Biol. 2013. V. 23. P. 362. https://doi.org/10.1016/j.cub.2013.01.045
  68. Yue K., Sandal P., Williams E. L., Murphy E., Stes E., Nikonorova N., Ramakrishna P., Czyzewicz N., Montero-Morales L., Kumpf R., Lin Z., van de Cotte B., Iqbal M., Van Bel M., Van De Slijke E. et al. PP2A-3 interacts with ACR4 and regulates formative cell division in the Arabidopsis root // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2016. V. 113. P. 1447. https://doi.org/10.1073/pnas.1525122113
  69. Kinoshita A., ten Hove C. A., Tabata R., Yamada M., Shimizu N., Ishida T., Yamaguchi K., Shigenobu S., Takebayashi Y., Iuchi S, Kobayashi M., Kurata T., Wada T., Seo M., Hasebe M. A plant U-box protein, PUB4, regulates asymmetric cell division and cell proliferation in the root meristem // Development. 2015. V. 142. P. 444. https://doi.org/10.1242/dev.113167
  70. Wang J.W., Wang L.J., Mao Y.B., Cai W.J., Xue H.W., Chen X.Y. Control of root cap formation by microRNA-targeted auxin response factors in Arabidopsis // Plant Cell. 2005. V. 17. P. 2204. https://doi.org/10.1105/TPC.105.033076
  71. Ornelas‐Ayala D., Vega‐León R., Petrone‐Mendoza E., Garay‐Arroyo A., García‐Ponce B., Álvarez‐Buylla E.R., Sanchez M.D.L.P. ULTRAPETALA1 maintains Arabidopsis root stem cell niche independently of ARABIDOPSIS TRITHORAX1 // New Phytol. 2020. V. 225. P. 1261. https://doi.org/10.1111/nph.16213
  72. Wildwater M., Campilho A., Perez-Perez J.M., Heidstra R., Blilou I., Korthout H., Chatterjee J., Mariconti L., Gruissem W., Scheres B. The RETINOBLASTOMA-RELATED gene regulates stem cell maintenance in Arabidopsis roots // Cell. 2005. V. 123. P. 1337. https://doi.org/10.1016/j.cell.2005.09.042
  73. Kawakatsu T., Stuart T., Valdes M., Breakfield N., Schmitz R.J., Nery J.R., Mark A.U. Han X. Benfey P.N., Ecker J.R. Unique cell-type-specific patterns of DNA methylation in the root meristem // Nat. Plants. 2016. V. 2. P. 16058. https://doi.org/10.1038/nplants.2016.58
  74. Kornet N., Scheres B. Members of the GCN5 histone acetyltransferase complex regulate PLETHORA-mediated root stem cell niche maintenance and transit amplifying cell proliferation in Arabidopsis // Plant Cell. 2009. V. 21. P. 1070. https://doi.org/10.1105/tpc.108.065300
  75. Ngo A.H., Kanehara K., Nakamura Y. Non‐specific phospholipases C, NPC2 and NPC6, are required for root growth in Arabidopsis // Plant J. 2019. V. 100. P. 825. https://doi.org/10.1111/tpj.14494
  76. Lin Y.C., Kobayashi K., Wada H., Nakamura Y. Phosphatidylglycerophosphate phosphatase is required for root growth in Arabidopsis // Biochim. Biophys. Acta, Mol. Cell Biol. Lipids. 2018. V. 1863. P. 563. https://doi.org/10.1016/j.bbalip.2018.02.007
  77. Begum T., Reuter R., Schöffl F. Overexpression of AtHsfB4 induces specific effects on root development of Arabidopsis // Mech. Dev. 2013. V. 130. P. 54. https://doi.org/10.1016/j.mod.2012.05.008
  78. Cnops G., Wang X., Linstead P., Montagu M.V., Lijsebettens M.V., Dolan L. Tornado1 and tornado2 are required for the specification of radial and circumferential pattern in the Arabidopsis root // Development. 2000. V. 127. P. 3385. https://doi.org/10.1242/dev.127.15.3385
  79. Galinha C., Hofhuis H., Luijten M., Willemsen V., Blilou I., Heidstra R., Scheres B. PLETHORA proteins as dose-dependent master regulators of Arabidopsis root development // Nature. 2007. V. 449. P. 1053. https://doi.org/10.1038/nature06206
  80. Ercoli M.F., Ferela A., Debernardi J.M., Perrone A.P., Rodriguez R.E., Palatnik J.F. GIF transcriptional coregulators control root meristem homeostasis // Plant Cell. 2018. V. 30. P. 347. https://doi.org/10.1105/tpc.17.00856
  81. Olvera-Carrillo Y., Van Bel M., Van Hautegem T., Fendrych M., Huysmans M., Simaskova M., van Durme M., Buscaill P., Rivas S., Coll N.S., Coppens F., Maere S., Nowack M.K. A Conserved core of programmed cell death indicator genes discriminates developmentally and environmentally induced programmed cell death in plants // Plant Physiol. 2015. V. 169. P. 2684. https://doi.org/10.1104/pp.15.00769
  82. Huysmans M., Buono R.A., Skorzinski N., Radio M.C., De Winter F., Parizot B., Mertens J., Karimi M., Fendrych M., Nowack M.K. NAC transcription factors ANAC087 and ANAC046 control distinct aspects of programmed cell death in the Arabidopsis columella and lateral root cap // Plant Cell. 2018. V. 30. P. 2197. https://doi.org/10.1105/tpc.18.00293
  83. Shimamura R., Ohashi Y., Taniguchi Y.Y., Kato M., Tsuge T., Aoyama T. Arabidopsis PLDζ1 and PLDζ2 localize to post-Golgi membrane compartments in a partially overlapping manner // Plant Mol. Biol. 2022. V. 108. P. 31. https://doi.org/10.1007/s11103-021-01205-0
  84. Møller S.G., McPherson M.J. Developmental expression and biochemical analysis of the Arabidopsis atao1 gene encoding an H2O2-generating diamine oxidase // Plant J. 1998. V. 13. P. 781. https://doi.org/10.1046/j.1365-313x.1998.00080.x
  85. Feng Q., Cubría-Radío M., Vavrdová T., De Winter F., Schilling N., Huysmans M., Nanda A.K., Melnyk C.W., Nowack M.K. Repressive ZINC FINGER OF ARABIDOPSIS THALIANA proteins promote programmed cell death in the Arabidopsis columella root cap // Plant Physiol. 2023. V. 192. P. 1151. https://doi.org/10.1093/plphys/kiad130
  86. Durand C., Vicré-Gibouin M., Follet-Gueye M.L., Duponchel L., Moreau M., Lerouge P., Driouich A. The organization pattern of root border-like cells of Arabidopsis is dependent on cell wall homogalacturonan // Plant Physiol. 2009. V. 150. P. 1411. https://doi.org/10.1104/pp.109.136382
  87. Kamiya M., Higashio S.-Y., Isomoto A., Kim J.-M., Seki M., Miyashima S., Nakajima K. Control of root cap maturation and cell detachment by BEARSKIN transcription factors in Arabidopsis // Development. 2016. V. 143. P. 4063. https://doi.org/10.1242/dev.142331
  88. Karve R., Suárez-Román F., Iyer-Pascuzzi A.S. The transcription factor NIN-LIKE PROTEIN7 controls border-like cell release // Plant Physiol. 2016. V. 171. P. 2101. https://doi.org/10.1104/pp.16.00453
  89. Feng Q., Rycke R. D., Dagdas Y., Nowack M.K. Autophagy promotes programmed cell death and corpse clearance in specific cell types of the Arabidopsis root cap // Curr. Biol. 2022. V. 32. P. 4548. https://doi.org/10.1016/j.cub.2022.03.053

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Root zones and cellular structure of the root cap: a – schematic representation of the structure of the Arabidopsis thaliana root with indication of zones; b – cellular organization of the root tip of A. thaliana; the stem cell niche, which includes the quiescent center and stem cells (initials), is highlighted in white; c – production of columella cells by asymmetric periclinal divisions of columella initials; d – production of lateral root cap (LRC) and epiblema cells as a result of successive periclinal and anticlinal divisions of the epiblema initials and LRC, respectively. The dotted line in panels (c) and (d) marks the division plane. The color coding in these panels corresponds to panel (b).

Download (337KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. The process of removing old root cap cells. The color coding (yellow, light and dark green, blue, purple) indicates the individual layers of the lateral root cap. Programmed cell death (PCD) in the outer layer of the lateral root cap is marked in red. Key events in the removal of the outer layer of root cap cells are indicated by thin arrows. These include programmed cell death of the lateral root cap, autolysis of dead cells, and the sloughing of a single layer of living columella cells.

Download (292KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Regulation of columella cell division and differentiation: a – distribution of regulators in the root cap. Red color of the scale corresponds to the maximum level (MAX), blue – to the minimum detectable level (MIN). White color reflects the absence of a regulator in the cells. Each regulator has its own maximum and minimum level. Proteins are shown in bold in normal text, transcripts – in italics. PC – quiescent center, CI – columella initials, K1–K4 – differentiated columella cells; b – genetic interaction of cell division and differentiation regulators. Dotted line indicates hypothetical interaction (requires further study).

Download (268KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».