日本名古屋大學、德克薩斯大學奧斯汀分校和華盛頓大學的研究人員闡明了一種機制，該機制使微小的植物幹細胞注定會產生氣孔，即促進全球碳循環的植物細胞瓣膜。

就像我們自己的細胞（例如神經元和肌肉纖維）一樣，植物會產生具有特殊功能的細胞。一種這樣的細胞類型是氣孔（複數氣孔）——一對圍繞孔隙的保衛細胞，用於有效交換二氧化碳和氧氣。氣孔調節水蒸氣的釋放以防止植物枯萎。在雙子葉植物葉（包括模式植物擬南芥的葉）的發育過程中，氣孔幹細胞不斷出現，每個乾細胞最終都變成氣孔保衛細胞。

科學家們知道氣孔的主要調節轉錄因子的身份，氣孔是一種與 DNA 結合併調節眾多基因表達以形成氣孔的蛋白質。它們包括 SPEECHLESS 和 MUTE，這兩個“姐妹”主調節器依次啟動和終止氣孔的干細胞狀態。然而，一個很大的謎團仍然存在：這些主調控因子如何與乾細胞的實際基因組狀態協調來改變它們的命運？

在 2022 年 12 月 15 日發表在《自然植物》雜誌上的一篇文章中，研究人員報告了氣孔發育過程中基因組狀態（稱為染色質可及性）的全基因組圖譜。在真核細胞的細胞核中，基因組 DNA 與組蛋白結合在一起，組蛋白是一種稱為染色質的複合物。轉錄因子可以進入“開放染色質區域”，即基因表達活動發生的地方。

使用一種稱為 ATAC 測序的技術，在氣孔發育過程中對可及染色質進行全基因組分析表明，主要的重編程發生在幹細胞增殖到分化的階段。研究人員還發現，兩種 DNA 代碼（稱為順式調控元件）在早期氣孔譜系中高度富集：E-box，稱為 bHLH 蛋白的轉錄因子結合，以及 GAGA 重複，稱為 BPC 的轉錄因子在植物中結合.

這兩個DNA密碼有何意義？SPEECHLESS 和 MUTE 這兩個順序作用的主調節器是 bHLH 蛋白，它們與這些 E-box 結合。研究人員進一步發現，MUTE 而非 SPEECHLESS 與 BPC 強烈結合，而 BPC 與 GAGA 重複序列結合。其他科學家表明，BPC 會募集將抑制標記“標記”到染色質上的酶。然而，目前的研究表明，在幹細胞分化過程中，MUTE 與 BPCs 結合，然後攜帶染色質修飾劑建立抑制性染色質環境，從而鎖定基因組狀態以進行分化。

“我們感到非常驚訝和興奮，”資深作者 Keiko Torii 教授說。“我們對染色質可及性的全基因組調查告訴我們為什麼植物利用姊妹主調節器 SPEECHLESS 和 MUTE 很重要。它們具有相似但相反的作用——一個啟動和維持氣孔幹細胞狀態，另一個終止氣孔幹細胞狀態。現在我們知道只有其中一個——MUTE——可以引入 BPC 來改變染色質狀態。這意味著兩種不同類別的轉錄因子和兩種不同類別的 DNA 元件共同作用來鎖定植物細胞的命運。我們的發現擴展瞭如何製造不同的細胞類型”。