Investigation of the spatiotemporal coordination mediated by SHORTROOT and NAC-REGULATED SEED MORPHOLOGY 1 for the root phloem development in Arabidopsis thaliana.

Abstract

식물의 뿌리는 정단분열조직에서 일어나는 세포 분열을 통하여 길이 성장을 한다. 지속적인 길이 성장을 위해서는 분열능이 왕성한 세포를 공급하는 미분화 상태의 줄기세포(stem cell)들이 정단분열조직에서 유지하고 있다. 특히, 애기장대 뿌리분열조직에서는 분열지연중심부를 에워싼 줄기세포의 정렬된 비대칭분열을 통하여 뿌리 중심주에 무기양분을 수송하는 물관부가 일렬로 형성되고, 양분과 포도당 및 다양한 형태의 신호전달 물질을 수송하는 두 개 축의 체관부가 물관부의 수직 방향으로 형성된다. 이 때, 체관세포는 식물이 성장하는 데 필수 영양소와 신호 전달 분자의 운반을 중재하는 중요한 역할을 한다. 이러한 기능을 가지는 체관세포는 두 가지 주요 비대칭 세포 분열을 통해 반세포(Companion cells, CCs)와 phloem sieve elements (phloem SEs)로 발달된다. 애기장대 뿌리 분열조직에서는 반세포는 phloem SEs를 마주하는 procambial 세포와 내피(pericycle)의 비대칭분열을 통해 생성되며, 이와 다르게 proto phloem SE와 metaphloem SE로 구성된 체관 SE는 두 번의 연속적인 체관 전구세포의 비대칭분열로 발달하게 된다. 실험실의 이전 연구에서 GRAS 계열 전사 인자인 SHORTROOT (SHR)가 뿌리의 체관 발달과정에서 sieve element(SE)와 반세포를 형성하기 위한 비대칭분열에 주요한 역할을 한다는 것을 밝혔다. SHR의 전사체는 뿌리에서 체관세포를 제외한 물관, procambium 세포층에서 발현되지만, SHR의 단백질은 체관부로 이동하여 체관 SE 형성에 필요한 비대칭분열을 유도한다. 이미 endodermis 및 분열지연중심부 (Quiescent center, QC)에서 SHR은 SCRACOW (SCR)의 발현을 활성화하고 SCR과 상호 작용한다는 것은 알려져 있다. 이 둘의 단백질 복합체는 microRNA165/6 (miR165/6)의 발현을 유발시키고 이들은 뿌리 중심부로 이동하여 Class III homeodomain leucine zipper (HD-ZIPIII) mRNA를 분해하여 HD-ZIPIII의 농도 구배를 형성한다. 이러한 농도 구배는 protoxylem과 metaxylem을 형성하여 물관부를 조직화한다. 이전 코넬대학교에서 이지영 교수님께 지도를 받았던 박사과정 학생, Dr. Jing Zhou는 체관부로의 SHR 이동이 체관세포 비대칭 세포 분열을 촉진하여 체관세포 발달에 주요한 역할을 한다는 것을 관찰하였다. 그러나, 뿌리중심부의 SHR의 이동이 phloem SEs 및 CCs 형성을 위한 비대칭분열을 어떻게 조절하는지에 관한 구체적인 과정은 여전히 불분명했다. 따라서 본 연구는 SHR와 그 하위 유전자들이 어떻게 체관세포 발달에 기여하는지 알아내는 것을 목표로 삼았다. 이를 밝히기 위해, SHR 하위 유전자로서의 NARS1, SND2가 체관세포 형성을 위해 어떠한 기능을 하는지 분석하였고 이들의 관계를 밝히고자 하였다. 본 연구를 통해 SHR와 그의 직접적인 하위 전사 인자인 NAC-REGULATED SEED MORPHOLOGY 1 (NARS1)과 SECONDARY WALL-ASSOCIATED NAC DOMAIN PROTEIN 2 (SND2)가 positive feedforward loop를 형성하며 체관세포 발달에 관여한다는 사실을 밝힐 수 있었다. 특히, NARS1이 Top–down long distance signal을 통한 전사 조절인자로 체관 SE 전구(precursor)세포의 비대칭 분열을 조절할 것이라는 잠재적 가능성을 제시하였다. 흥미롭게도, NARS1의 전사체는 뿌리의 분열조직(meristem)이 아닌 세포들의 비대칭분열이 끝나고 성장하는 분화대(differentiation zone)의 반세포에서 발현이 된다. 그러나 nars1의 돌연변이체는 체관 전구세포의 비대칭분열이 비정상적으로 일어난다. 이는 NARS1의 위쪽 반세포에서의 발현이 아래 분열조직에서의 비대칭분열을 조절한다는 Long distance top-down signaling의 가능성을 제시한다. 게다가 SND2는 NARS1을 통해 뿌리의 분열조직인 protophloem SE에서 발현되며 NARS1의 발현을 활성화하여 positive feedback loop를 형성하는 데 뒷받침된다. 이러한 결과들을 종합해볼 때, 본 연구는 NARS1이 phloem SE의 비대칭분열을 위해 Long distance top-down signaling을 통해 조절하며, 이는 분화된 phloem 세포들이 아직 분화되지 않은 전구세포를 규제할 수 있게 한다는 가능성을 제시한다. 이러한 연구를 통해 다이나믹한 식물 성장 과정 중 관다발 조직 시스템의 세포 유형 패턴 형성과 세포 분화에 대한 새로운 통찰력을 제공할 것이라 기대한다.

In the plant vascular system, phloem plays an important role in mediating the transportation of essential nutrients and signaling molecules. Two major phloem cell types are generated by asymmetric cell divisions (ACDs); companion cells (CCs) and phloem sieve elements (SEs). In the root apical meristem of Arabidopsis thaliana, CCs are generated by the ACDs of procambial cells facing the phloem SEs and pericycle cells. On the other hand, phloem SEs which are composed of the protophloem and metaphloem SEs, are originated from two sequential ACDs of a phloem SE-procambium precursor and a SE precursor. A previous study in the lab suggested that SHORTROOT (SHR), a GRAS family transcription factor, regulates the ACDs for CCs from the endodermis and for SEs from the phloem. SHR mRNA is transcribed in the stele (the xylem, procambium, pericycle cells) except for the phloem pole. But, SHR protein moves into the phloem pole, endodermis, and quiescent center (QC). In the endodermis and QC, SHR activates the expression of SCARECROW (SCR), and then interacts with SCR. This protein complex promotes the expression of microRNA 165/6 (miR165/6). miR165/6 move into the stele and establish the Class III homeodomain leucine zipper transcription factors (HD-ZIP III) gradient by degrading HD-ZIP III mRNAs. This process specifies the identities of proto- and metaxylem. Dr. Jing Zhou, the former Ph.D. student, observed that SHR moving into the phloem pole promotes ACDs for phloem development. However, it was still unclear how movement of SHR into the phloem pole regulates ACDs for SE and CC formation. Therefore, my dissertation research was aimed to find how SHR and its downstream genes serve in phloem development. To address this goal, I performed the functional analysis of NARS1 and SND2, SHR downstream target genes for phloem formation. In this dissertation, I present that SHORTROOT (SHR) and its direct downstream genes encoding two transcription factors, NAC-REGULATED SEED MORPHOLOGY 1 (NARS1) and SECONDARY WALL-ASSOCIATED NAC DOMAIN PROTEIN 2 (SND2), are involved in the phloem development via long-distance top-down signaling while forming a positive feedforward loop. NARS1 is a pivotal regulator of ACDs of phloem SE precursor in the meristem, although it is transcribed in the CCs of the root differentiation zone. Thus, NARS1 might be involved in the long-distance top-down signaling pathway. In addition, SND2 is expressed in the protophloem SEs via NARS1 and activates NARS1 expression, thereby setting up a positive feedback loop. Together, this study indicates that ACDs for the development of phloem SE occur via long-distance top-down signaling, which enable differentiated phloem cells to regulate the undifferentiated precursor cells. Findings from this study provide new insights into the cell type patterning and differentiation of vascular system during indeterminate plant growth.