《Plant Physiology and Biochemistry》：Key genetic architects of plant regeneration: Integrating transcriptional, hormonal, and epigenetic modules toward predictable regeneration systems
编辑推荐：
本综述聚焦植物再生核心机制，旨在跨越“基因型依赖型难再生”瓶颈，为精准、高效的生物技术创新提供系统级蓝图。文章系统梳理了de novo器官发生与体细胞胚胎发生两大途径，并深入解析了WUS、PLT、BBM等关键转录因子、auxin-cytokinin激素互作网络以及染色质重塑等表现遗传调控的协同作用。核心论点指出，单一基因或激素的操控不足以实现高效再生，未来的成功有赖于转录因子激活、激素动态模式与表现遗传重编程的整合性“协调再生系统工程”。
关键遗传架构在器官发生中的作用：整合机制与应用见解
器官发生是植物再生的主要途径之一，分化体细胞通过协调的激素、转录和表现遗传调控，被重编程以形成新的芽或根。该过程通常始于生长素或伤口诱导的去分化，产生能够启动新分生组织中心的多能愈伤组织细胞。WUS、PLT、WIND、CUP-SHAPED COTYLEDON (CUC) 和 SHOOT MERISTEMLESS (STM) 等关键调节因子，控制多能性的获得、边界形成和干细胞生态位的建立，从而指定新的芽或根分生组织。生长素和细胞分裂素相互作用以塑造这些发育程序，其中 PIN 介导的生长素运输和细胞分裂素信号传导建立了模式形成所需的空间梯度。同时，组蛋白修饰和 DNA 甲基化等表现遗传机制重置染色质状态，以允许转录可塑性。这些多层网络共同确保了de novo器官发生过程中稳健的命运转变和精确的器官形成。
WOUND INDUCED DEDIFFERENTIATION (WIND) 基因：去分化和愈伤组织能力的早期触发因子
WOUND INDUCED DEDIFFERENTIATION(WIND) 基因家族，包括 AP2/ERF 转录因子 WIND1–WIND4，是伤口诱导去分化和再生重编程的核心。WIND1 是机械损伤或外植体分离的直接响应因子，充当从分化状态向多能状态转变的分子开关。它在切割位点的快速诱导触发了愈伤组织形成和后续芽再生所必需的转录级联反应。机制上，WIND1 与ESR1启动子中的保守cis-元件结合，强烈激活其表达。ESR1 是另一个 AP2/ERF 因子，在 WIND1 下游发挥作用，驱动伤口响应性愈伤组织形成和芽诱导。因此，WIND1–ESR1 轴构成了核心的伤口-再生信号通路。WIND1 还调节细胞分裂素信号传导和生物合成基因，建立有利于愈伤组织启动的激素环境。新证据表明 WIND1 与组蛋白乙酰化机制相互作用，改变染色质状态，以便在去分化过程中实现快速的转录重连。WIND1诱导得到肽信号通路的加强，例如 REF1–PORK1–WIND1 环，可放大再生能力。该通路已被用于提高大豆、小麦和玉米等主要作物的转化效率。过表达WIND1或ESR1足以在无伤口或外源激素的情况下诱导愈伤组织和芽再生，展示了它们在解锁细胞可塑性方面的效力。因此，操控 WIND–ESR 模块为增强再生和转化流程提供了强大策略。
PLETHORA (PLT) 基因家族：多能性和芽特性的顺序调节因子
PLETHORA(PLT) 基因家族编码调节多能性、干细胞特性和器官启动的 AP2 结构域转录因子。在拟南芥中，PLT3、PLT5 和 PLT7 是协调从分化细胞到多能愈伤组织，再到芽分生组织特性转变的重要调节因子。在受伤或生长素暴露后，PLT3/5/7被快速诱导，激活包括PLT1和PLT2在内的下游靶点，以驱动去分化。这些 PLT 蛋白协调与激素代谢、细胞周期激活和染色质重塑相关的转录程序，使成熟细胞重新获得发育可塑性。一旦建立多能性，PLT 通过调节CUC2（一种定义器官边界和早期 SAM 组织的 NAC 结构域转录因子）来促进芽分生组织的特化。PLT 还调节 YUCCA 依赖的生长素生物合成，塑造精确分生组织模式所需的本地产生长素梯度。遗传分析表明，plt突变体可以形成愈伤组织但无法产生芽前体细胞，突显了它们在从根样或愈伤状态向芽命运特性转变中的关键作用。相反，异位表达PLT5或PLT7可以诱导激素非依赖性芽再生，为克服基因型难再生性提供了一种机制。应用研究利用 PLT 活性来改善园艺和难再生作物的再生。工程化或诱导型PLT表达提高了芽再生率并促进了转化。将 PLT 调节与激素方案和表现遗传调节剂相结合，可进一步改善再生同步性。转录组和染色质可及性研究表明，PLT 控制着涉及应激反应基因、细胞分裂素信号传导和染色质重塑因子的广泛网络，强调了它们作为再生多方面整合者的作用。
CUP-SHAPED COTYLEDON (CUC) 基因：边界形成和分生组织模式
CUP-SHAPED COTYLEDON(CUC) 基因家族 (CUC1, CUC2, CUC3) 编码对器官边界特化和芽分生组织启动不可或缺的 NAC 结构域转录因子。这些基因表现出冗余和不同的功能；任何两个CUC基因的双突变体都会产生融合的子叶，并且无法形成功能性的 SAM，强调了它们在胚胎模式形成中的核心作用。CUC2 是本地生长素生物合成的关键调节因子，通过转录激活YUCCA1(YUC1) 和YUCCA4(YUC4)，产生边界形成和 SAM 定位所需的生长素最大值。由 YUC 蛋白指导的生长素生物合成与 PIN1 介导的运输协同作用，建立空间梯度，以模式化胚胎和再生分生组织。此外，CUC2 调节组织分离基因，如XYLOGLUCAN ENDOTRANSGLUCOSYLASE 9(XTH9)，该基因促进细胞壁松弛以定义离散的器官边界。这种活性可防止器官融合，并确保再生过程中分生组织的正常出现。CUC基因的操控对发育生物学和生物技术具有重大意义。改变 CUC 活性可重塑芽和叶的形态，为观赏和农业领域创造理想的株型。在组织培养中，微调CUC2或CUC3表达可改善愈伤组织向芽的转化并减少嵌合体，尤其是在难再生物种中。通过组蛋白乙酰化和染色质可及性变化对CUC位点进行表现遗传调控也有文献记载。此外，CUC启动子或反馈电路的基因组编辑正在成为设计可预测再生能力和芽形成的可行方法。
WUSCHEL (WUS)：干细胞命运和芽诱导的中枢协调者
WUSCHEL (WUS) 是芽再生的关键转录协调者，对于干细胞维持以及胚胎发生和in vitro培养过程中茎尖分生组织 (SAM) 的建立至关重要。WUS编码一个同源框转录因子，仅在 SAM 的组织中心表达。它通过涉及 CLAVATA3 (CLV3) 的负反馈回路非自主地促进上层干细胞的增殖和维持，该回路调节分生组织大小和干细胞更新。受伤或愈伤组织诱导后，WUS的激活标志着向干细胞命运转变的最早分子标记之一。WUS被细胞分裂素和其他促有丝分裂刺激快速上调，同时伴随着染色质修饰，例如去除抑制性组蛋白 H3 赖氨酸 27 三甲基化 (H3K27me3) 标记。B 型 ARABIDOPSIS RESPONSE REGULATORs (ARRs) 和 HD-ZIP III 转录因子调节WUS表达，整合激素和表现遗传输入以确保精确的再生结果。在de novo芽器官发生过程中，干细胞域的空间边界通过 WUS 蛋白的激活和移动而建立。过表达WUS显著提高了多种分类群中的芽再生和体细胞胚胎发生。在拟南芥、水稻、苜蓿、马铃薯和桉树中，升高的WUS水平显著增加了愈伤组织向芽的转化，提高了转化效率，并减轻了基因型依赖性。在Eucalyptus转化过程中应用合成的 WUS 衍生肽可通过代谢激活促进再生。在谷物中，WUS和BBM的共表达支撑了高频 CRISPR/Cas 转化方案。因此，WUS 已成为功能基因组学、种质改良和快速性状工程工作流程的基石靶点。
SHOOT MERISTEMLESS (STM)：未分化分生组织特性的转录看门人
SHOOT MERISTEMLESS (STM) 是一种 I 类 KNOX 同源框转录因子，对 SAM 的形成和维持至关重要。STM 通过防止过早分化来维持自我更新的未分化干细胞库，从而支持持续的器官发生。STM 在全基因组范围内结合 TGAC/TGAT 丰富的cis-元件，直接激活涉及细胞分裂素生物合成的基因，例如ISOPENTENYL TRANSFERASE(IPT) 家族成员。这促进了细胞增殖和分生组织特性所需的局部细胞分裂素积累。STM 通过激活 CYCLIN D3 (CYCD3) 进一步强化干细胞命运，维持中央分生组织区的有丝分裂活性。在更广泛的基因调控网络中，STM 与 WUS、PLT、WIND 和 CUC 合作，协调去分化、多能性获得和分生组织模式。此外，STM 抑制赤霉素生物合成基因和促进分化的 TCP 因子，防止向确定性命运的转变。其核定位和活性通过与 BEL1 样同源结构域蛋白的相互作用进一步调节。环境和机械线索也与STM调节相关。糖的可利用性通过低碳条件下的 SnRK1 介导抑制影响STM，而 SAM 曲率和机械应力与STM表达域相关，表明机械转导参与了分生组织维持。遗传分析证实了 STM 的不可或缺性：stm突变体缺乏功能性 SAM 且无法维持干细胞库，导致器官发生中止。相反，异位STM表达可抑制分化，并可在叶表面启动de novo分生组织形成。在生物技术中，STM过表达可增加芽增殖和转化效率，特别是在难再生物种中，并通过增强愈伤组织能力来支持基因组编辑。
体细胞胚胎发生中的关键遗传架构：机制作用与应用
体细胞胚胎发生 (SE) 是一种发育途径，其中分化的体细胞恢复全能性并形成可发育成完整植物的双极胚胎样结构，与合子胚胎发生非常相似。SE 通常由合成生长素等刺激触发，这些刺激诱导广泛的转录重编程，激活内源性生长素生物合成，并促进表现遗传重塑，将细胞从营养程序转变为胚胎程序。胚胎发生细胞随后增殖，建立极性，模式化芽和根分生组织，并获得诸如储存物积累和脱水耐受性等成熟特征。SE 的核心是一个包含 LEAFY COTYLEDON1/2 (LEC1/LEC2)、BBM、FUSCA3 (FUS3)、ABSCISIC ACID INSENSITIVE 3 (ABI3) 和 AGAMOUS-LIKE 15 (AGL15) 的调控网络，它们协调胚胎特性、激素途径和胚胎成熟。SOMATIC EMBRYOGENESIS RECEPTOR-LIKE KINASE (SERK) 家族受体激酶通过介导信号感知和油菜素内酯依赖的全能性激活进一步增强了胚胎发生能力。这些调节因子共同确保了 SE 在植物繁殖和生物技术中的保真度、稳健性和实用性。
LEAFY COTYLEDON (LEC) 基因家族：胚胎发生重编程的主调节因子
LEAFY COTYLEDON (LEC) 转录因子是合子和体细胞胚胎发生的核心调节因子，在早期和晚期发挥作用，以建立和稳定胚胎特性。LEC1 和 LEC2 驱动从营养细胞命运向胚胎细胞命运的转变，启动体细胞胚胎形成所需的核心重编程步骤。单独 LEC2 足以在营养组织中异位表达时诱导 SE，无需外源激素即可激活胚胎发育程序。LEC2 快速上调生长素生物合成基因，如YUC2和YUC4，增加胚胎启动所需的局部生长素水平。它还直接激活种子储存蛋白基因，赋予体细胞胚胎成熟特征并模拟合子胚胎发育。通过这些功能，LEC 在胚胎发生重编程过程中充当激素和发育信号的关键整合者。异位LEC2表达显著提高了拟南芥和木薯的 SE 效率，产生了适合无性繁殖和转化的高度胚胎发生性培养物。LEC1的调节同样改善了体细胞胚胎成熟和再生成功率。总之，LEC基因作为连接定义胚胎发生能力的激素、代谢和发育网络的整合中心。
BABY BOOM (BBM)：全能性和胚胎形成的有效诱导剂
BABY BOOM(BBM) 编码一种 AP2/ERF 结构域转录因子，作为全能性和胚胎命运转变的关键诱导剂。BBM在合子胚胎发生的最早阶段表达，在营养组织中的异位表达足以诱导无外源激素或应激处理的体细胞胚胎。这种激素非依赖性诱导突显了 BBM 强大的重编程能力。BBM 作用于激活 LAFL 网络 (LEC1, LEC2, FUS3, ABI3) 的转录级联顶端，该网络控制胚胎特性、成熟和储存物积累。BBM 直接结合LAFL启动子以上调其转录；LAFL基因的功能丧失突变损害了 BBM 介导的 SE，证实LAFL激活是核心机制。BBM 还调节内源性激素途径，包括生长素生物合成和信号传导，以增强胚胎发生能力。其效应是剂量依赖性的：高BBM表达触发自发性体细胞胚胎，而较低表达则产生愈伤组织或不定器官。染色质可及性研究表明，BBM 重塑表现遗传景观以释放胚胎发生潜力。除了 SE，BBM 还影响合子胚胎模式和胚乳发育。它调节子代胚乳分裂和细胞化，卵细胞特异性BBM表达可以绕过受精诱导母本单倍体胚胎——这是一个具有重大育种意义的工程无融合生殖系统。与 AINTEGUMENTA-LIKE 蛋白（如 PLT2）的功能冗余进一步强调了 BBM 在胚胎诱导中的核心地位。在生物技术中，BBM 已被用于玉米、高粱、烟草、芸苔属和可可，以显著提高转化效率并缩短再生周期。与WUS共表达彻底改变了单子叶植物的转化，实现了高频 CRISPR/Cas 编辑。瞬时或组织特异性BBM表达克服了基因型难再生性，允许在困难背景下进行 SE。结构和合成生物学方法，包括工程化BBM变体和配体响应性构建体，旨在进一步完善其活性，以实现精确的、上下文依赖的胚胎诱导。
FUSCA3 (FUS3) 和 ABSCISIC ACID INSENSITIVE 3 (ABI3)：胚胎成熟和命运稳定的调节因子
FUSCA3 (FUS3) 和 ABSCISIC ACID INSENSITIVE 3 (ABI3) 是 B3 结构域转录因子，在晚期胚胎发生、种子成熟以及 LAFL 网络内胚胎特性的稳定中扮演着必不可少且部分重叠的角色。它们的协调活动指导储存物积累、脱水耐受性的获得和种子休眠的建立——这些是胚胎存活和长寿的关键转变。FUS3 和 ABI3 结合 Sph/RY (CATGCA) cis-元件以激活编码 LEA 蛋白、油质蛋白、储存蛋白和脂质代谢酶的种子特异性基因。FUS3 还抑制赤霉素 (GA) 生物合成，同时促进脱落酸 (ABA) 生物合成，从而抑制过早萌发并促进休眠。ABI3 作为主要的 ABA 信号调节因子；abi3突变体表现出强烈的 ABA 不敏感性、降低的脱水耐受性以及在胁迫下快速萌发。FUS3 和 ABI3 在 LAFL 网络内表现出广泛的交叉调节，相互加强以在胚胎向幼苗过渡期间稳定胚胎命运。激素依赖性蛋白质稳定性增加了另一层控制，ABA 稳定 FUS3 而 GA 促进其降解，从而允许环境调节成熟时间。这两种因子还调节阶段转变 microRNA，例如 miR156，并与 VAL 阻遏物相互作用以防止过早的营养发育。操控 FUS3 或 ABI3 改善了组织培养中的体细胞胚胎成熟、储存物积累和胁迫耐受性。FUS3过表达增加了脂质和储存蛋白含量，同步了成熟，并提高了 SE 质量。正确的 FUS3/ABI3 活性对于大规模无性繁殖和合成种子技术至关重要，可防止胎萌并改善脱水耐受性。
AGAMOUS-LIKE 15 (AGL15)：连接多种胚胎发生途径的 MADS-Box 枢纽
AGAMOUS-LIKE 15 (AGL15) 是一种 MADS-box 转录因子，作为合子和体细胞胚胎发生途径的中央整合者，协调多种胚胎发生调节因子并调节关键的激素和表现遗传过程。天然富含于从球形期到早期子叶期的胚胎中，AGL15也在一些营养组织中低水平表达。异位或组成型AGL15表达极大地增强了拟南芥、大豆和棉花的 SE 能力和再生，突显了其功能保守性。AGAMOUS-Like15 (AGL15) 在体内与核心胚胎发生调节因子（包括 LEC2、FUS3 和 ABI3）的调
