上海交通大学林文慧研究组揭示PIN3调控拟南芥胚珠晚期发生的机制
发布时间 :2022-03-13  阅读次数 :2838

2022年3月4日,上海交通大学林文慧研究组在PLoS Genetics杂志在线发表了题为PIN3 positively regulates the late initiation of ovule primordia in Arabidopsis thaliana的研究论文,报道了拟南芥胚珠晚期发生的现象,进一步完善了胚珠原基群体分批发生的规律,并阐明了胚珠晚期发生的调控机制。上海交通大学生命科学技术学院博士生胡利芹为该论文第一作者,硕士生常金慧为该论文共同第一作者,林文慧研究员为通讯作者。

种子是高等植物繁衍后代的重要生殖器官,种子的发生和发育决定了种子的数量和产量。胚珠作为种子的前身,其发生过程和调控机制是植物生殖生物学的核心问题之一。在模式植物拟南芥以及十字花科和豆科等植物中,一个果实都含有多个种子,这些植物的胚珠发生决定了一朵花中最大可能的胚珠数,也极大程度上影响了单果实种子数和种子产量。因此,研究胚珠发生过程及其调控机制具有重要的科学意义和潜在的应用价值。

胚珠发生作为一种特殊的侧生器官起始过程,包含了细胞命运决定、细胞分化以及器官发生等基础生物学问题,囿于材料和技术的限制,胚珠发生过程及其调控机制研究还不够深入。尽管已发现一些转录因子、调控蛋白以及植物激素参与调控胚珠发生,但仍有大量问题尚未厘清,尤其是多胚珠发生的规律以及相邻胚珠的发生过程是否有关联,未曾有过报道。

上海交通大学林文慧研究组的前期工作首次阐明了拟南芥胚珠原基群体在胎座上异步发生的规律,并解析了生长素输出载体PIN1极性定位和生长素信号响应高峰的动态变化调控胚珠分批发生的机制。

林文慧研究组之前通过全基因组关联分析找到了影响拟南芥单果实种子数和种子密度的新基因座,并选取了其中一些基因进行功能验证,发现PIN3影响单果实种子数和种子密度(Jiang et al., 2020)。在该工作的基础上,林文慧研究组深入研究了PIN3调控胚珠发生的机制。通过干涉相差显微镜的形态观察和胚珠发生过程的分子标记的荧光信号观察发现:野生型拟南芥中,头两批胚珠原基发生在花发育第九期,并在第十期时两批胚珠原基的形态和大小趋近一致,开始启动后续发育,此时在胚珠原基间较大的边界中,出现了新的胚珠发生现象。不同于头两批胚珠发生的整齐均一(每两个第一批发生的胚珠之间几乎都会发生第二批胚珠),仅有零星的新胚珠在较大的已有胚珠之间的边界上发生。而在PIN3功能缺失的突变体中,此部分胚珠发生过程缺失,造成pin3的胚珠数量和密度下降。研究人员将前两轮胚珠发生(约占总胚珠总数的90%)称为胚珠早期发生,将第十期零星的胚珠发生(约占总胚珠总数的10%)称为胚珠晚期发生。NAA无法回补pin3胚珠数量低的表型、而Picloram处理能回补此表型,暗示PIN3介导的生长素极性运输所形成的生长素高峰是晚期胚珠发生所必需的。检测发现PIN1在pin3中没有受到影响,可推测胚珠晚期发生主要受PIN3调控。遗传实验表明受生长素诱导的胚珠发生重要调控因子STK可能通过促进雌蕊生长为晚期胚珠发生提供充足的空间从而间接参与PIN3调控的晚期胚珠发生。此外,遗传和生化实验表明PIN3位于BR信号下游,BR通过PIN3调控胚珠晚期发生。

图1.拟南芥的胚珠早期发生和晚期发生

 

综上,此研究与林文慧研究组之前的工作一起完整描述了拟南芥胚珠原基分批发生的过程,完善了胚珠原基群体发生的规律,并提出不同的生长素输出载体介导生长素极性运输和信号响应进而调控胚珠多步骤发生的机制。这种复杂的多步骤机制具有重要的生物学意义,可推测这可能是植物在演化过程中的适应性策略:良好的环境、充足的营养反映在胚珠之间的较大边界上,提供多次胚珠发生的机会,以便产生更多的后代。了解多胚珠分批发生的调控机制将有助于提高与拟南芥类似的十字花科作物和豆科作物的种子数量和产量。

上海交通大学致远学院本科生李融寒、郑霁轩也参与了此项工作。本研究项目得到了国家自然科学基金、教育部代谢与发育科学国际合作联合实验室开放课题、上海交通大学Agri-X和Bio-X交叉学科基金以及科技创新基金的支持。