近日，中國(guó)科學(xué)院華南植物園劉勛成團(tuán)隊(duì)在植物科學(xué)領(lǐng)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(zhuǎn)錄因子BP/KNAT1在光誘導(dǎo)種子萌發(fā)過程中起正調(diào)控作用。紅光/遠(yuǎn)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(jìn)其在吸脹種子中的蛋白積累。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，BP直接抑制ABA生物合成關(guān)鍵基因NCED6與NCED9的表達(dá)，從而降低內(nèi)源ABA含量，促進(jìn)種子萌發(fā)。該研究不僅揭示了光誘導(dǎo)種子萌發(fā)通路中的一個(gè)關(guān)鍵正調(diào)控因子，也深化了對(duì)phyB介導(dǎo)的光促萌發(fā)機(jī)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(diǎn)，其精準(zhǔn)調(diào)控對(duì)選擇適宜的萌發(fā)條件至關(guān)重要。在多種環(huán)境因子中，光作為關(guān)鍵調(diào)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(yuǎn)紅光受體，在光誘導(dǎo)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(dòng)萌發(fā)，而遠(yuǎn)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(fù)向和正向調(diào)節(jié)因子參與萌發(fā)調(diào)控。phyB介導(dǎo)的光信號(hào)通路依賴于與ABA和GA信號(hào)的協(xié)同互作。然而，長(zhǎng)期以來，“光–phyB–ABA”途徑中的核心調(diào)控因子及其分子機(jī)制仍不明確。

2、主要研究?jī)?nèi)容

（1）BP是phyB介導(dǎo)的光促進(jìn)種子萌發(fā)途徑中的正調(diào)控因子

研究團(tuán)隊(duì)鑒定出擬南芥KNOX家族轉(zhuǎn)錄因子BP/KNAT1是光誘導(dǎo)種子萌發(fā)通路中的一個(gè)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(dá)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(dá)BP可部分回復(fù)其萌發(fā)缺陷表型。這些結(jié)果證實(shí)BP在遺傳上作用于phyB的下游，正向調(diào)控光依賴的種子萌發(fā)過程（圖1）。

圖1. BP是phyB介導(dǎo)的促進(jìn)種子萌發(fā)過程中的正調(diào)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(jìn)其蛋白積累

基于phyB與BP之間的遺傳互作關(guān)系，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)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(bǔ)及免疫共沉淀等實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，BP在體內(nèi)和體外均能與phyB發(fā)生直接互作。為研究phyB對(duì)吸脹種子中BP蛋白穩(wěn)定性的影響，研究人員分別構(gòu)建了在phyB突變體和過表達(dá)株系背景下的BP轉(zhuǎn)基因材料。免疫印跡分析顯示，phyB過表達(dá)可促進(jìn)BP蛋白的積累，而phyB缺失則導(dǎo)致BP蛋白水平降低。進(jìn)一步的體外降解實(shí)驗(yàn)及MG132處理實(shí)驗(yàn)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(dǎo)的降解途徑，增強(qiáng)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(jìn)其在吸脹種子中的積累

（3）BP直接結(jié)合NCED6/9并通過提高H3K27me3修飾水平抑制其表達(dá)

轉(zhuǎn)錄組分析顯示，在phyB激活條件下，BP與phyB共同抑制萌動(dòng)種子中ABA的生物合成及其信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑。進(jìn)一步的轉(zhuǎn)錄調(diào)控分析表明，BP能夠在體內(nèi)和體外直接結(jié)合NCED6/9基因，并通過提高其組蛋白H3K27me3修飾水平以抑制表達(dá)；而在phyB缺失背景下，BP對(duì)NCED6/9的結(jié)合能力及轉(zhuǎn)錄抑制效應(yīng)均顯著減弱。ABA含量測(cè)定結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在phyB激活時(shí)，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(diào)控的種子萌發(fā)過程。以上結(jié)果說明，在phyB激活的萌發(fā)途徑中，BP通過增強(qiáng)NCED6/9基因位點(diǎn)的H3K27me3修飾水平抑制其轉(zhuǎn)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(dá)降低ABA生物合成

綜上，研究團(tuán)隊(duì)揭示了光誘導(dǎo)種子萌發(fā)過程中“phyB–BP–NCED6/9”級(jí)聯(lián)模塊的核心分子調(diào)控機(jī)制：在黑暗或遠(yuǎn)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(shí)NCED6/9大量表達(dá)，導(dǎo)致ABA水平升高，從而抑制種子萌發(fā)；而在強(qiáng)光或紅光（phyB 激活）條件下，phyB 與 BP 結(jié)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(jìn)而抑制NCED6/9的表達(dá)，降低ABA含量，最終促進(jìn)種子萌發(fā)（圖4）。

圖4. 光誘導(dǎo)種子萌發(fā)中phyB-BP-NCED6/9級(jí)聯(lián)調(diào)控作用模式

3、研究團(tuán)隊(duì)

中國(guó)科學(xué)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(nóng)業(yè)大學(xué)趙明磊副教授為本論文的共同第一作者，中國(guó)科學(xué)院華南植物園劉勛成研究員為通訊作者。廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)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(jì)茹君，碩士研究生金霞、鄧玲與許婧妍也參與了本項(xiàng)研究工作。本研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、“天山英才”科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目與中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)優(yōu)秀會(huì)員項(xiàng)目資助。

論文鏈接：https://www.cell.com/plant-communications/fulltext/S2590-3462(25)00279-2