图 再生因子REF1调控植物再生的分子机制

在国家自然科学基金项目（批准号：31991183、32161133018、U22A20459）等资助下，山东农业大学李传友教授团队在植物再生机理研究方面取得新进展，相关成果以“局部受伤信号分子REF1小肽促进植物再生（Peptide REF1 is a local wound signal promoting plant regeneration）”为题，于2024年5月22日在《细胞》（Cell）杂志在线发表。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.04.040。

机械损伤常造成生命体器官和组织的完全或部分缺失。应对损伤，动植物均具备组织修复和器官再生的能力。与动物相比，固着生长的植物更易遭受机械损伤。在长期的进化过程中，植物形成了动物不可比拟的应对损伤的能力。面对损伤，植物一方面能快速激活防御反应，另一方面能轻松自如地进行组织修复和器官再生。在模式植物番茄中，人们发现了植物对机械损伤的系统性防御现象，并证实小肽激素系统素和经典激素茉莉酸通过共同的信号通路调控植物的系统性防御反应。但目前人们对损伤引发植物再生的原初信号及其转导机制知之甚少。细胞损伤是触发生命体启动再生程序的原初物理诱因，应存在一种由损伤诱发的信号分子在组织修复和器官再生过程中发挥重要作用。然而从1740年首次发现再生现象以来，人们对这种信号分子的化学本质却无从知晓。此外植物的再生能力千差万别且因基因型不同而异，这极大地制约着转基因和基因编辑等技术的应用潜力。

本研究成果首次鉴定到诱发植物再生的原初受伤信号分子——再生因子REF1（REGENERATION FACTOR1），并系统揭示了REF1调控组织修复和器官再生的信号转导网络，同时证明了REF1在植物转基因、基因编辑领域的巨大应用价值。该研究团队首先从分析实验室积累的防御缺陷突变体入手，鉴定到防御和再生两个方面同时发生缺陷的番茄SPR9（SUPPRESSOR OF PROSYSTEMIN-MEDIATED RESPONSE 9）基因突变体。该突变体的局部防御反应和系统防御反应都发生缺陷，同时丧失了愈伤组织形成能力和器官再生能力，暗示SPR9基因在损伤诱发的防御反应和再生反应中均发挥重要作用。图位克隆结果表明SPR9基因编码小肽SlPep（23个氨基酸）的前体蛋白。敲除SPR9基因使番茄丧失了受伤诱导的愈伤组织形成能力和器官再生能力，而过表达SPR9基因可显著提高番茄的再生能力。此外，外源施加SPR9编码的小肽也可以显著提高番茄的再生能力。因此将该小肽重新命名为再生因子REF1。

进一步研究鉴定到了REF1的受体PORK1（PEPR1/2 ORTHOLOG RECEPTOR-LIKE KINASE 1）。当植物发生细胞损伤时，REF1被PORK1识别，并通过激活下游细胞重编程关键调控因子WIND1（WOUND INDUCED DEDIFFERENTIATION 1），启动组织修复和器官再生过程。同时，WIND1结合到REF1前体基因的启动子区激活其表达，产生更多的REF1小肽，从而放大信号。

再生因子REF1的作用在植物界是保守的。几乎在所有双子叶植物和单子叶植物中都能找到对应的REF1小肽及其受体。外施REF1可以大幅度提高公认难以转化的大豆、小麦和玉米等作物的再生能力和遗传转化效率。因此，该研究不仅回答了植物受伤后如何启动再生过程这一世纪难题，而且为生物育种实践中提高作物遗传转化效率、打破物种和基因型依赖提供了便捷普适的方案。