赤霉素调控拟南芥胚胎发育的分子机制

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赤霉素(Gibberellin,GA)作为一种重要的植物激素,在植物整个生长发育过程中都扮演着关键的角色。近年来的一些研究表明GA可能调控植物的胚胎发育,但是由于GA同时参与花器官发育及授粉等生殖过程,植株缺乏GA严重影响结实,因此关于GA在植物胚胎发育过程中的具体角色和详细的分子调控机制依然不清楚。我们以拟南芥为研究对象,对GA在植物胚胎发育过程的角色及其调控机制进行了深入剖析。  本研究中,我们首先分析GA合成酶相关基因在不同胚胎发育时期的表达模式,发现GA20ox3和GA3ox4在胚胎快速膨大时期呈现出一个明显的表达峰值,同时检测到胚胎中活性GA的含量也呈现类似的变化趋势,这表明GA的合成代谢在胚胎发育过程中具有时空特异性。进一步对授粉后的拟南芥果荚外施GA合成抑制剂多效唑(Paclobutrazol,PAC),与对照相比,发现PAC造成明显的胚胎缺陷,包括胚轴缩短、子叶无法弯曲等表型,而外施GA3会使胚轴变长、种子变大。  DELLA蛋白是GA信号途径中的负调控因子,通过表型观察我们发现,功能性缺失的DELLA四突变体dellaq与外施GA3类似,表现为胚轴变长及种子增大。与之相反的是,诱导DELLA蛋白过多积累会造成与PAC处理类似的胚胎缺陷。进一步研究揭示DELLA蛋白与调控胚胎发育的重要因子LEAFYCOTYLEDON1(LEC1)在体内外发生蛋白互作,并且在胚胎尤其是在胚轴部位共定位。通过转录组(RNA-seq)分析,我们发现DELLA和LEC1共同调控1007个下游基因,其中73.7%是反向调控的。此外,利用ChIP-seq技术分析鉴定了698个LEC1的直接下游靶基因,其中有466个是DELLA和LEC1共同调控的。深入研究表明DELLA能够抑制LEC1对下游基因启动子区域的结合,而GA通过降解DELLA蛋白来释放DELLA对于LEC1转录活性的抑制从而促进胚胎发育。遗传分析显示,dellaq突变体能够部分恢复LEC1下调突变体(lec1-4)的胚胎缺陷,而不能恢复LEC1完全敲除突变体(lec1-3)的表型。此外,我们还发现DELLA和LEC1反向地调控生长素合成基因YUCs的表达,与之相应,生长素报告基因DR5-GUS的染色信号在dellaq突变体中增强,而在lec1-4突变体中减弱,且外施生长素能够部分恢复lec1-4的表型,这表明DELLA-LEC1调控胚胎发育部分依赖于生长素。  综上所述,我们深入揭示了GA以一种时空特异的机制调控胚胎发育,这些发现为GA参与胚胎发育提供了新的证据,对于理解植物激素如何调控胚胎发育提供了新的视角。植物胚胎的正常发育影响种子的形成,而种子的质量关乎粮食作物产量的高低和品质的好坏,因此我们的研究也为作物育种改良提供了重要的理论依据。
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