科研人員揭示高溫下植物種子前身胚珠命運的保護機制

　　北京大學生命科學學院秦跟基教授課題組在Nature子刊Nature Communications上在線發表了題為“Arabidopsis TCP4 transcription factor inhibits high temperature induced homeotic conversion of ovules”的研究論文，揭示了重要轉錄因子TCP功能冗余地在高溫下保護植物胚珠命運不向心皮同源轉化的分子機制。

　　植物的胚珠是種子的前身，不僅是植物進行有性生殖傳播下一代的基礎，也是農業生產中主要收獲器官，對糧食安全至關重要。作為花中第四輪器官，胚珠的器官形成和決定機制一直是科學家感興趣的科學問題。根據ABCDE花發育模型，第三輪器官心皮（組成雌蕊）的命運由MADS-box轉錄因子AG-SEP形成的復合體來控制，而被心皮包裹的第四輪器官胚珠則由MADS-box轉錄因子AG-SEP-STK/SHP復合體來決定。這樣出現一個一直以來被忽視的科學問題，也就是既然四類MADS-box轉錄因子AG、SEP、STK和SHP均存在于胚珠中，AG-SEP復合體和AG-SEP-STK/SHP復合體在胚珠中就共存，那在胚珠中AG-SEP復合體的功能如何被抑制，從而使AG-SEP-STK/SHP復合體功能起主導作用來促進胚珠命運正常形成的呢？

　　秦跟基教授課題組長期研究植物重要轉錄因子家族TCP的功能，經過近十年的努力，通過遺傳雜交和CRISPR/Cas9定點敲除技術，該研究團隊構建了一個敲除Class II TCP亞家族11個成員及TCP16功能的十二重tcp突變體tcpDUO（tcp duodecuple mutant, tcp2/3/4/5/10/13/17/24/1/12/18/16）。十二重突變體tcpDUO具有嚴重的育性缺陷表型，正反交遺傳實驗和表型觀察證明是雌配子體的發育異常導致該突變體育性缺陷，而花粉完全正常。很有意思的是，在22℃下，突變體tcpDUO的胚珠命運以較低頻率（0.2%）向心皮樣結構同源轉化（圖1a,b），而在28℃高溫條件下，突變體tcpDUO的胚珠全部轉變為心皮樣結構（圖1c,d,f,g），在tcpDUO中表達TCP4可互補其胚珠同源轉化的表型（圖1e）。說明TCP在高溫條件下具有保護胚珠命運不向心皮轉變的重要功能。

　　圖1.TCP轉錄因子在高溫下保護胚珠命運不被轉變。a.在22℃生長條件下野生型的胚珠。b. 在22℃條件下十二重突變體tcpDUO的胚珠有極個別轉變為心皮樣結構。c. 在28℃條件下野生型的胚珠沒有轉變為心皮的現象。d. 在28℃條件下十二重突變體tcpDUO的胚珠全部同源轉化為心皮樣結構。e.表達TCP4可互補tcpDUO的胚珠在28℃條件下全部同源轉化為心皮樣結構的表型。f. 在28℃條件下野生型的胚珠掃描電鏡圖。g. 在28℃條件下十二重突變體tcpDUO的胚珠轉變成的心皮樣結構掃描電鏡圖，清楚可見心皮特有的乳突狀細胞。h.十三重突變體tcpDUO bel1在22℃條件下全部轉變為心皮樣結構。i.十三重突變體tcpDUOstk在22℃條件下也全部轉變為心皮樣結構。j. TCP轉錄因子控制胚珠命運的工作模型。野生型22℃條件下，TCP和BEL1共同抑制AG-SEP復合體功能，使得AG-SEP-STK/SHP復合體起主導作用，從而決定了胚珠命運；野生型在28℃條件下，BEL1蛋白雖然部分降解，但TCP已可充分抑制AG-SEP3的功能，從而保護胚珠命運不被轉變；tcpDUO在28℃條件下，TCP功能缺乏，同時BEL1蛋白部分降解，無法充分抑制AG-SEP的功能，使胚珠全部轉變為心皮樣結構；在tcpDUO bel1中，即使在常溫下，由于同時缺乏TCP和BEL1的功能，使得AG-SEP復合體功能不被抑制，從而起主導作用，使胚珠全部轉變為心皮樣結構；而在tcpDUOstk中，AG-SEP-STK/SHP復合體功能部分缺失，同時TCP功能缺乏，無法充分抑制AG-SEP復合體功能，使得AG-SEP復合體功能起主導作用，導致胚珠全部轉變為心皮樣結構。

　　為解析TCP保護胚珠命運的分子機制，通過去雄后收集未授粉的雌蕊進行轉錄組測序和胚珠的RT-qPCR分析，確定了tcpDUO的胚珠中控制心皮發育的關鍵基因同時也是AG-SEP復合體直接下游因子CRC和SPT在胚珠中異位表達。通過多種生化實驗確定了TCP4蛋白與AG以及SEP3相互作用，抑制AG-SEP3的轉錄激活活性，從而抑制其下游CRC和SPT等在胚珠中的異位表達，促進胚珠命運正常形成。BEL1是抑制AG-SEP復合體功能的已知轉錄因子，該研究進一步確定了BEL1蛋白在高溫下通過26S蛋白酶體降解，而TCP4通過與BEL1蛋白互作抑制其降解，從而促進了BEL1對AG-SEP復合體功能的抑制。通過在tcpDUO背景下敲除BEL1或STK構建tcpDUO bel1或tcpDUOstk十三重突變體，發現tcpDUO bel1或tcpDUOstk的胚珠在正常生長溫度下全部轉變為心皮樣結構（圖1h,i），說明TCP在胚珠命運決定過程中與BEL1及STK具有功能冗余性，是胚珠命運決定的關鍵正調控因子。

　　該研究不僅通過扎實的遺傳學數據證明了TCP轉錄因子在胚珠命運決定中的新功能，還闡明了植物胚珠命運在高溫下的不穩定性以及TCP在高溫下通過蹺蹺板模型保護胚珠命運不被改變的分子機制。在該蹺蹺板模型中，TCP轉錄因子通過與決定心皮命運的AG-SEP3復合體直接相互作用并抑制其功能，同時還通過與轉錄因子BEL1直接相互作用抑制其在高溫下的降解，從而加強了BEL1對AG-SEP3復合體功能的抑制，進而保證了AG-SEP-STK/SHP復合體在胚珠中起主導作用來決定胚珠的正常命運（圖1j）。

　　北京大學生命科學學院已畢業的蘭婧秋博士（現為中國科學院遺傳與發育生物學研究所曹曉風院士課題組博士后）和博士研究生王寧為該論文的共同第一作者，北京大學生命科學學院秦跟基教授為通訊作者，北京大學生命科學學院博士后王宇濤、博士研究生姜一丹及已畢業的于浩為共同作者，中國科學院遺傳與發育生物學研究所曹曉風院士在研究中給予了重要支持和指導。該研究得到國家自然科學基金（31970194）、國家杰出青年科學基金（31725005）、國家自然科學基金創新群體（31621001）以及北京大學蛋白質與植物基因研究國家重點實驗室的資助。