近日，中國科學院華南植物園劉勛成團隊在植物科學領域著名期刊《Plant Communications》上發(fā)表了題為“Phytochrome B stabilizes the KNOX transcription factor BP/KNAT1 to promote light-initiated seed germination in Arabidopsis thaliana”的研究論文。該研究闡明，擬南芥KNOX家族轉錄因子BP/KNAT1在光誘導種子萌發(fā)過程中起正調控作用。紅光/遠紅光受體——光敏色素phyB能夠直接與BP蛋白互作，通過降低其泛素化修飾水平，促進其在吸脹種子中的蛋白積累。進一步研究發(fā)現(xiàn)，BP直接抑制ABA生物合成關鍵基因NCED6與NCED9的表達，從而降低內源ABA含量，促進種子萌發(fā)。該研究不僅揭示了光誘導種子萌發(fā)通路中的一個關鍵正調控因子，也深化了對phyB介導的光促萌發(fā)機制的理解，為未來培育具有理想萌發(fā)特性的作物品種提供了重要的理論依據(jù)。
1、研究背景
萌發(fā)是種子植物生命周期的起點，其精準調控對選擇適宜的萌發(fā)條件至關重要。在多種環(huán)境因子中，光作為關鍵調控因素之一，被一系列光受體感知，包括光敏色素（phytochromes）、隱花色素（cryptochromes）、向光素（phototropins）和UVR8。其中，光敏色素作為紅光/遠紅光受體，在光誘導的種子萌發(fā)中起核心作用，尤以phyB最為重要。紅光激活phyB以啟動萌發(fā)，而遠紅光則通過使其失活從而抑制萌發(fā)。在植物激素方面，脫落酸（ABA）和赤霉素（GA）分別作為負向和正向調節(jié)因子參與萌發(fā)調控。phyB介導的光信號通路依賴于與ABA和GA信號的協(xié)同互作。然而，長期以來，“光–phyB–ABA”途徑中的核心調控因子及其分子機制仍不明確。
2、主要研究內容
（1）BP是phyB介導的光促進種子萌發(fā)途徑中的正調控因子
研究團隊鑒定出擬南芥KNOX家族轉錄因子BP/KNAT1是光誘導種子萌發(fā)通路中的一個新組分。在phyB激活條件下，BP突變體的種子萌發(fā)率顯著低于野生型，而BP過表達株系則表現(xiàn)出顯著提高的萌發(fā)率。遺傳分析表明，在phyB突變體中過表達BP可部分回復其萌發(fā)缺陷表型。這些結果證實BP在遺傳上作用于phyB的下游，正向調控光依賴的種子萌發(fā)過程（圖1）。
圖1. BP是phyB介導的促進種子萌發(fā)過程中的正調控因子
（2）phyB與BP直接互作并通過降低BP的泛素化水平促進其蛋白積累
基于phyB與BP之間的遺傳互作關系，研究團隊進一步探究了二者在蛋白水平上的相互作用。酵母雙雜交、熒光素酶互補及免疫共沉淀等實驗結果表明，BP在體內和體外均能與phyB發(fā)生直接互作。為研究phyB對吸脹種子中BP蛋白穩(wěn)定性的影響，研究人員分別構建了在phyB突變體和過表達株系背景下的BP轉基因材料。免疫印跡分析顯示，phyB過表達可促進BP蛋白的積累，而phyB缺失則導致BP蛋白水平降低。進一步的體外降解實驗及MG132處理實驗證明，phyB通過減少BP的泛素化修飾，從而抑制26S蛋白酶體介導的降解途徑，增強BP蛋白的穩(wěn)定性（圖2）。
圖2. PhyB與BP互作降低其泛素化水平從而促進其在吸脹種子中的積累
（3）BP直接結合NCED6/9并通過提高H3K27me3修飾水平抑制其表達
轉錄組分析顯示，在phyB激活條件下，BP與phyB共同抑制萌動種子中ABA的生物合成及其信號轉導途徑。進一步的轉錄調控分析表明，BP能夠在體內和體外直接結合NCED6/9基因，并通過提高其組蛋白H3K27me3修飾水平以抑制表達；而在phyB缺失背景下，BP對NCED6/9的結合能力及轉錄抑制效應均顯著減弱。ABA含量測定結果發(fā)現(xiàn)，在phyB激活時，BP突變體中的ABA含量明顯高于野生型，而在phyB失活條件下則無顯著差異。遺傳分析表明，NCED6/9在遺傳上位于BP的下游，參與光調控的種子萌發(fā)過程。以上結果說明，在phyB激活的萌發(fā)途徑中，BP通過增強NCED6/9基因位點的H3K27me3修飾水平抑制其轉錄，從而減少ABA的生物合成（圖3）。
圖3. BP通過抑制NCED6和NCED9表達降低ABA生物合成
綜上，研究團隊揭示了光誘導種子萌發(fā)過程中“phyB–BP–NCED6/9”級聯(lián)模塊的核心分子調控機制：在黑暗或遠紅光（phyB 失活）條件下，吸脹種子中的BP蛋白高度泛素化并被26S蛋白酶體降解，同時NCED6/9大量表達，導致ABA水平升高，從而抑制種子萌發(fā)；而在強光或紅光（phyB 激活）條件下，phyB 與 BP 結合并通過去除其泛素化修飾以穩(wěn)定該蛋白；積累的BP蛋白進而抑制NCED6/9的表達，降低ABA含量，最終促進種子萌發(fā)（圖4）。
圖4. 光誘導種子萌發(fā)中phyB-BP-NCED6/9級聯(lián)調控作用模式
3、研究團隊
中國科學院華南植物園辜大川副研究員、博士研究生王雅寒與華南農業(yè)大學趙明磊副教授為本論文的共同第一作者，中國科學院華南植物園劉勛成研究員為通訊作者。廣東省農業(yè)科學院吳淑華助理研究員、華南植物園鄭楓助理研究員、博士研究生陳航聰和紀茹君，碩士研究生金霞、鄧玲與許婧妍也參與了本項研究工作。本研究得到國家自然科學基金、“天山英才”科技創(chuàng)新團隊項目與中國科學院青年創(chuàng)新促進會優(yōu)秀會員項目資助。
論文鏈接：https://www.cell.com/plant-communications/fulltext/S2590-3462(25)00279-2
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