植物再生机制的重大突破：WIND1通过激活ESR1表达促进拟南芥芽再生

作者及发表信息
本研究由Akira Iwase、Hirofumi Harashima、Momoko Ikeuchi等来自日本理化学研究所可持续资源科学中心（RIKEN Center for Sustainable Resource Science）、美国俄亥俄州立大学（The Ohio State University）、日本奈良先端科学技术大学院大学（Nara Institute of Science and Technology）等机构的科学家合作完成，于2016年12月23日发表在《The Plant Cell》期刊上。

学术背景
植物具有显著的发育可塑性，能够在受伤后通过细胞重编程再生新器官。然而，伤口信号如何触发再生过程的分子机制尚不明确。研究团队此前发现，AP2/ERF（APETALA2/乙烯响应因子）家族转录因子WIND1（Wound Induced Dedifferentiation 1）是伤口诱导细胞重编程的核心调控因子。本研究旨在揭示WIND1如何通过调控下游基因表达促进愈伤组织形成和芽再生，重点关注其与另一AP2/ERF转录因子ESR1（Enhancer of Shoot Regeneration1）的调控关系。

研究流程与方法
1. WIND1依赖的ESR1表达激活
- 实验设计：通过RT-qPCR（逆转录定量聚合酶链反应）和GUS（β-葡糖醛酸酶）报告基因系统，分析伤口处理后拟南芥叶片、根和下胚轴中ESR1的时空表达模式。
- 关键发现：WIND1在伤口后30分钟内快速诱导，1小时达峰；ESR1表达紧随其后，3小时达峰。在WIND1-SRDX（显性抑制突变体）中，ESR1的伤口诱导被显著抑制。
- 技术亮点：利用proESR1:ESR1-GFP转基因植株，通过共聚焦显微镜观察到ESR1蛋白在伤口附近细胞核内积累。

1. WIND1直接结合ESR1启动子

   • 染色质免疫沉淀（ChIP-qPCR）：从proWIND1:WIND1-GFP植株的愈伤组织中提取染色质，证实WIND1特异性结合ESR1启动子-500 bp区域的VWRE-like（vascular system-specific and wound-responsive element，维管系统特异伤口响应元件）基序。
     
   • 电泳迁移率实验（EMSA）：纯化MBP-WIND1-His6蛋白，证明其与ESR1启动子的-153至-104 bp区域（含两个VWRE-like基序）直接结合。突变这些基序显著降低WIND1对ESR1的激活能力。
     

2. ESR1的功能验证

   • 遗传表型分析：
     
     • ESR1功能缺失突变体（esr1-2）和显性抑制突变体（esr1-SRDX）的愈伤形成能力显著下降，而过表达株系（esr1-GFP）则增强愈伤生长。
       
     • 在WIND1-SRDX背景中引入ESR1-D（组成型激活突变体），可挽救其愈伤形成缺陷。
       
   • 激素信号交叉分析：发现ESR1表达依赖B型ARR（Arabidopsis Response Regulator）介导的细胞分裂素信号通路，但ESR1不直接调控ARR5等下游基因。
     

3. ESR1促进芽再生的机制

   • 离体再生实验：在无外源激素的MS培养基中，esr1-GFP植株的叶片和根伤口处自发形成芽（18.2%叶片和14%根），而野生型几乎无此现象。
     
   • 诱导表达系统：通过雌激素诱导的XVE:ESR1系统，证实ESR1剂量依赖性促进芽再生，且需伤口信号协同。
     
   • 转录调控网络：ESR1通过激活CUC1（CUP-SHAPED COTYLEDON1）、WUS（WUSCHEL）和STM（SHOOT MERISTEMLESS）等芽分生组织关键基因的表达，推动再生进程。
     

主要结果与逻辑链条
- 分子机制：WIND1→ESR1→CUC1/WUS/STM构成核心通路。
- 表型证据：
- ESR1功能缺失导致愈伤和芽再生缺陷，而过表达则绕过WIND1抑制表型。
- 激素（auxin/cytokinin）通过协同激活ESR1表达，但其效应独立于伤口诱导的初始信号。
- 创新方法：首次将VWRE-like基序与植物再生转录调控关联，并开发了ESR1-GFP动态追踪系统。

结论与价值
1. 科学意义：揭示了WIND1-ESR1模块将伤口信号转化为再生能力的分子桥梁，填补了“伤口响应→细胞重编程→器官发生”的知识空白。
2. 应用潜力：为作物遗传改良和离体繁殖技术提供新靶点，例如通过调控ESR1表达提高再生效率。
3. 理论拓展：提出植物再生可能通过保守的AP2/ERF家族转录因子网络实现，但不同物种的再生能力差异可能与ESR1诱导性相关。

研究亮点
- 机制创新：首次证明WIND1直接通过VWRE-like基序调控ESR1，并解析其时空特异性。
- 技术整合：结合ChIP-qPCR、EMSA、诱导表达系统和活体成像，多维度验证分子互作。
- 跨通路关联：将伤口信号、激素响应和表观调控（如Polycomb沉默）纳入统一框架。

其他重要发现
- WIND1-ESR1通路特异性调控芽再生，对根再生无显著影响，暗示器官再生存在分支机制。
- ESR1与ESR2（同源基因）的层级关系：ESR1激活ESR2，但后者仅在再生后期发挥作用。

（注：全文术语首次出现均标注英文，如“愈伤组织（callus）”“染色质免疫沉淀（ChIP-qPCR）”等。）