2021年2月22日，北京大學生命科學學院李磊研究組在The Plant Cell雜誌線上發表了題為“The PIF1-miR408-PLANTACYANIN Repression Cascade Regulates Light-Dependent Seed Germination”的研究論文。該研究揭示了模式植物擬南芥的種子在響應遠紅光而萌發中的一個關鍵調控通路。
種子見光後解除休眠而萌發，是很多種子植物中重要的生理和形態發生過程。在擬南芥中，種子感知遠紅外光後在光敏色素phyA作用下降解萌發覈心抑制因數PIF1，PIF1的降解提高種子中赤黴素（GA）相對脫落酸（ABA）的比例，從而啟動種子萌發。然而PIF1的降解和GA/ABA平衡之間的調控環節還不清楚。本研究中通過比較種子形成與萌發過程中轉錄組變化規律，鑒定到藍銅蛋白Plantacyanin是遠紅光調控的種子萌發過程中的關鍵因數。通過遺傳分析、轉錄組比較、內源植物激素定量測定等實驗，確定了定位於種子液泡的Plantacyanin是一個萌發抑制子，它能够下調GA/ABA的比例而發揮作用。本研究組的前期成果顯示Plantacyanin是miR408的一個靶基因，本研究證明miR408是遠紅光調控的種子萌發過程中的一個啟動子，進一步的分子實驗證明了PIF1能够直接結合miR408的啟動子並抑制其表達，構成了PIF1-miR408-Plantacyanin雙重抑制通路。遺傳學實驗證實了PIF1通過抑制miR408而維持Plantacyanin以抑制萌發（圖1）。
圖1.PIF1-miR40-Plantacyanin抑制級聯調控遠紅光下種子萌發
綜合本研究與前人結果，提出了一個PIF1-miR40-Plantacyanin抑制級聯調控遠紅光下種子萌發的分子機制。在黑暗中，由於phyA處於非活性狀態，被穩定的PIF1結合到miR408啟動子，導致miR408的轉錄抑制並使得Plantacyanin累積。在遠紅光照射後，phyA介導的PIF1降解導致miR408的轉錄啟動，進而沉默Plantacyanin。從貯藏液泡中去除Plantacyanin有助於GA/ABA比例的新增，最終使種子萌發（圖2）。這項研究對深入理解種子休眠與萌發機制具有重要意義，同時為種源技術攻關提供了新的思路。
圖2.PIF1-miR40-Plantacyanin通路調控種子見光萌發的模式圖
李磊研究員為本文通訊作者，北京大學生命科學學院博士後江安龍為本文第一作者，北京大學生命科學學院博士研究生郭仲龍和已畢業的潘加偉博士、高照旭博士對該論文亦有重要貢獻。北京大學生命科學學院鐘上威研究員為該項工作提供了幫助。該項目得到了國家重點研發計畫、國家自然科學基金、蛋白質與植物基因研究國家重點實驗室以及北大-清華生命科學聯合中心的資助。
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