张宪省、苏英华课题组揭示种子大小调控新机制
文章作者:        发布时间: 2021-03-23                 浏览次数: 494

      种子大小是农业生产中最重要的农艺性状之一,是决定产量的重要因素。被子植物的种子大小是由种皮、胚和胚乳相互协调发展决定的。胚和胚乳是经过双受精过程而来,而种皮及其发育前期的珠被不经过双受精作用通常被认为是母体组织。通过控制母体组织,胚和胚乳的发育关键因素,可以实现对种子大小的控制。在油菜,大豆等作物中,种子大小可以直接决定产量的多少,因此对于种子大小的研究十分重要。

近日,我院张宪省、苏英华课题组在国际知名杂志The Plant Cell发表了题为“The Arabidopsis MATERNAL EFFECT EMBRYO ARREST45 Protein Modulates Maternal Auxin Biosynthesis and Controls Seed Size by Inducing AINTEGUMENTA的研究性论文,该研究揭示了B3结构域转录因子MEE45,通过控制母体组织的发育调控种子的大小

早在20世纪,就有科学家发现拟南芥母体组织的变化可以影响最终种子的大小,然而作为种子发育过程中的重要一部分,母体组织是如何影响种子大小的,现在还不十分清楚。

张宪省、苏英华课题组在探究影响种子大小关键基因的过程中发现,转录因子突变体mee45-1的种子相对于野生型来说明显变小,增加MEE45基因表达量后,种子明显变大。并且研究人员通过正反交实验发现种子变小的表型仅出现在mee45-1突变体为母本的情况下,而在mee45-1做父本时则没有这种表型(图1),并且用胚珠特异启动子INNER NO OUTER驱动MEE45可以回补mee45-1的表型,而用胚胎特异启动子RIBOSOMAL PROTEIN S5A驱动amiR-MEE45的转基因植株不会出现种子变小的表型,所以MEE45是通过影响母体组织影响种子大小。

1MEE45通过母体组织影响种子大小

通过分析转录组数据,研究人员找到了一个影响种子大小的ANT基因,并通过荧光学观察,ChIPEMSA遗传学等实验发现MEE45可以结合在ANT启动子上,影响ANT的表达水平(图2)。

2MEE45调控ANT的表达水平

进一步研究发现,在MEE45下游的ANT可以调控生长素合成关键基因YUC4的表达从而影响种子的大小(图3)。

3ANT可以调控YUC4的表达水平

综上所述,该研究提出了MEE45控制种子大小的遗传途径和相关机制:在珠被中,MEE45通过直接与ANT启动子结合,正向调控ANT的转录水平,而ANT又可以直接结合在YUC4启动子上,激活YUC4的表达。MEE45ANT在同一个遗传通路中调控YUC4基因的表达,从而介导母体生长素的生物合成。生长素在母体组织中合成,产生的相关信号被胚接收到,也可能直接进入胚中影响胚的发育,进而决定种子的大小(图4)。该研究对于进一步了解母体组织影响种子大小的机制具有重要意义,同时为提高作物产量提供了重要理论依据。

4MEE45调控种子大小模式图

我院博士研究生李英菊,于洋为该论文的第一作者。苏英华和张宪省教授为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金项目(31670320);山东省自然科学基金项目(ZR2017JL016);山东省高校青年科研创新团队计划项目(2019KJE011)的资助。