Reaction-diffusion pattern in shoot apical meristem of plants.
Reaction-diffusion pattern in shoot apical meristem of plants.
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DOI：
10.1371/journal.pone.0018243
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发表时间：
2011-03-29
期刊：
影响因子：
3.7
通讯作者：
Kawaguchi M
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Fujita H;Toyokura K;Okada K;Kawaguchi M
发育生物学的一个基本问题是如何从均匀结构中自组织空间模式。 1952年，图灵提出了反应扩散模型，以解释这一问题。 1995年，在鱼皮肤上的色素沉着模式首先提供了活生物体中反应扩散模式的实验证据。但是，这种机制是否在生物的发展事件中起着至关重要的作用，仍然难以捉摸。在这里，我们表明反应扩散模型可以成功解释植物的芽顶分生组织（SAM）。植物的山姆属于每个芽的顶部，由中央区域（CZ）和周围周围区（PZ）组成。 SAM包含干细胞，并在整个寿命中连续产生新的器官。使用拟南芥的分子遗传研究表明，SAM的形成和维持基本上受Wushcel（WUS）和Clavata（CLV）之间的反馈相互作用的调节。我们基于WUS-CLV相互作用的反应扩散动力学开发了SAM的数学模型，该动力学结合了细胞分裂和动力学的空间限制。我们的模型解释了在植物中观察到的各种SAM模式，例如，在野生型中对SAM大小的体内稳态控制，CLV突变体中的Sam扩大或着迷，以及从WUS突变体中初始扁平的SAM中的异位次级分生组织的启动。另外，通过将其预测与WUS突变体中WU的表达模式进行比较来支持该模型。此外，该模型可以解释许多实验结果，包括由CZ消融和通过分生组织中心切割引起的重组过程。因此，我们得出的结论是，反应扩散动力学对于植物的SAM发育可能是必不可少的。
A fundamental question in developmental biology is how spatial patterns are self-organized from homogeneous structures. In 1952, Turing proposed the reaction-diffusion model in order to explain this issue. Experimental evidence of reaction-diffusion patterns in living organisms was first provided by the pigmentation pattern on the skin of fishes in 1995. However, whether or not this mechanism plays an essential role in developmental events of living organisms remains elusive. Here we show that a reaction-diffusion model can successfully explain the shoot apical meristem (SAM) development of plants. SAM of plants resides in the top of each shoot and consists of a central zone (CZ) and a surrounding peripheral zone (PZ). SAM contains stem cells and continuously produces new organs throughout the lifespan. Molecular genetic studies using Arabidopsis thaliana revealed that the formation and maintenance of the SAM are essentially regulated by the feedback interaction between WUSHCEL (WUS) and CLAVATA (CLV). We developed a mathematical model of the SAM based on a reaction-diffusion dynamics of the WUS-CLV interaction, incorporating cell division and the spatial restriction of the dynamics. Our model explains the various SAM patterns observed in plants, for example, homeostatic control of SAM size in the wild type, enlarged or fasciated SAM in clv mutants, and initiation of ectopic secondary meristems from an initial flattened SAM in wus mutant. In addition, the model is supported by comparing its prediction with the expression pattern of WUS in the wus mutant. Furthermore, the model can account for many experimental results including reorganization processes caused by the CZ ablation and by incision through the meristem center. We thus conclude that the reaction-diffusion dynamics is probably indispensable for the SAM development of plants.
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影响因子：
56.9
作者：
Fletcher, LC;Brand, U;Meyerowitz, EM
通讯作者：
Meyerowitz, EM
影响因子：
3.7
作者：
Hohm T;Zitzler E;Simon R
通讯作者：
Simon R
影响因子：
11.6
作者：
Clark, SE
通讯作者：
Clark, SE
DOI：
10.1073/pnas.0603522103
发表时间：
2006-10-31
影响因子：
11.1
作者：
Miyawaki, Kaori;Tarkowski, Petr;Kakimoto, Tatsuo
通讯作者：
Kakimoto, Tatsuo
影响因子：
11.6
作者：
Mueller, Ralf;Bleckmann, Andrea;Simon, Ruediger
通讯作者：
Simon, Ruediger