Transcriptional Regulation of ROS Controls Transition from Proliferation to Differentiation in the Root

ABSTRACT

The balance between cellular proliferation and differentiation is a key aspect of development in multicellular organisms. Using high-resolution expression data from the Arabidopsis root, we identified a transcription factor, UPBEAT1 (UPB1), that regulates this balance. Genomewide expression profiling coupled with ChIP-chip analysis revealed that UPB1 directly regulates the expression of a set of peroxidases that modulate the balance of reactive oxygen species (ROS) between the zones of cell proliferation and the zone of cell elongation where differentiation begins. Disruption of UPB1 activity alters this ROS balance, leading to a delay in the onset of differentiation. Modulation of either ROS balance or peroxidase activity through chemical reagents affects the onset of differentiation in a manner consistent with the postulated UPB1 function. This pathway functions independently of auxin and cytokinin plant hormonal signaling. Comparison to ROS- regulated growth control in animals suggests that a similar mechanism is used in plants and animals.

INTRODUCTION

Growth in multicellular organisms depends on maintaining the proper balance between cell division and differentiation. Disruption of this balance in animals can lead to disease states such as cancer. In plants, because organs are continuously formed from stem cells, disruption of this balance leads to premature cessation of growth or abnormal organogenesis. In the root of Arabidopsis, cells originate from a stem cell center at the tip. Progeny of these stem cells rapidly divide in a transit-amplifying zone know as the meristem, after which they undergo massive increases in cell volume in the elongation zone. The transition from cellular proliferation to elongation marks the initial stage of differentiation and occurs at a slightly different point for each cell type, producing a somewhat jagged boundary of this transition zone (TZ). Once fully elongated, cells enter the maturation zone in which they differentiate into various cell types. Previous work has shown that root growth is determined by the rate of cell division in the meristematic zone and the extent of cell expansion in the elongation zone (Beemster and Baskin, 1998). Acceleration of root growth in Arabidopsis is correlated with increasing root meristem size as a result of increased rates of cell division and the delay of the onset of cell expansion (Ubeda-Tomas et al., 2009).

چکیده

تعادل بین تکثیر سلولی و تمایز جنبه کلیدی توسعه در موجودات چند سلولی است. با استفاده از داده های بیان رزولوشن بالا از ریشه Arabidopsis، یک عامل رونویسی UPBEAT1 (UPB1) را تعیین کردیم که این تعادل را تنظیم می کند. Profileing بیان ژنوم در کنار تجزیه و تحلیل تراشه چیپ نشان داد که UPB1 به طور مستقیم بیان یک مجموعه از پراکسیدازها که تعادل تعادل گونه های اکسیژن واکنشی (ROS) را بین مناطق تکثیر سلولی و منطقه تحمل سلولی که تمایز آغاز می شود را تنظیم می کند. اختلال در فعالیت UPB1 این تعادل ROS را تغییر می دهد و منجر به تأخیر در شروع تمایز می شود. مدولاسیون تعادل ROS یا فعالیت پراکسیداز با استفاده از واکنش های شیمیایی بر روی شروع تمایز تأثیر می گذارد به نحوی که مطابق با عملکرد UPB1 فرض شده است. این مسیر به طور مستقل از سیگنالینگ هورمونی گیاه اکسین و سیتوکنین کار می کند. در مقایسه با کنترل رشد ROS در حیوانات نشان می دهد که مکانیزم مشابه در گیاهان و حیوانات استفاده می شود.

مقدمه

رشد موجودات چند سلولی بستگی به حفظ تعادل مناسب بین تقسیم سلولی و تمایز دارد. اختلال در این تعادل در حیوانات می تواند منجر به بیماری هایی مانند سرطان شود. در گیاهان، از آنجا که اندام به طور مداوم از سلول های بنیادی تشکیل می شوند، اختلال در این تعادل منجر به توقف زودرس زودرس رشد و یا زیست شناختی غیر طبیعی می شود. در ریشه Arabidopsis، سلول ها از یک مرکز سلول های بنیادی در نوک متمایز می شوند. پس از تولد این سلول های بنیادی به سرعت در یک منطقه تقویت ترانزیت تقسیم می شود که به عنوان مرسیتم شناخته می شود و پس از آن افزایش حجم عظیم در ناحیه کشش افزایش می یابد. انتقال از تکثیر سلولی به طول کشیدن مرحله اولیه تمایز را نشان می دهد و در یک نقطه کمی متفاوت برای هر نوع سلول رخ می دهد و مرز تقریبا ناهموار این منطقه انتقال (TZ) تولید می کند. سلول ها هنگامی که به طور کامل بلند می شوند، به منطقه بلوغ وارد می شوند که در آن انواع مختلف سلول ها تمایز می یابند. کار قبلی نشان داده است که رشد ریشه توسط میزان تقسیم سلولی در منطقه meristematic و میزان گسترش سلول در ناحیه کشش تعیین می شود (Beemster and Baskin، 1998). شتاب رشد ریشه در Arabidopsis با افزایش اندازه مریستم ریشه در نتیجه افزایش میزان تقسیم سلولی و تاخیر در شروع رشد سلول ارتباط دارد (Ubeda-Tomas et al.، 2009).

Year: 2010

Publisher : ELSEVIER

By : Hironaka Tsukagoshi, Wolfgang Busch, and Philip N. Benfey