李磊研究组在种子见光萌发的机制研究中取得进展

2021年2月22日，北京大学生命科学学院李磊研究组在The Plant Cell杂志在线发表了题为“The PIF1-miR408-PLANTACYANIN Repression Cascade Regulates Light-Dependent Seed Germination”的研究论文。该研究揭示了模式植物拟南芥的种子在响应远红光而萌发中的一个关键调控通路。

种子见光后解除休眠而萌发，是很多种子植物中重要的生理和形态发生过程。在拟南芥中，种子感知远红外光后在光敏色素phyA作用下降解萌发核心抑制因子PIF1，PIF1的降解提高种子中赤霉素（GA）相对脱落酸（ABA）的比例，从而启动种子萌发。然而PIF1的降解和GA/ABA平衡之间的调控环节还不清楚。本研究中通过比较种子形成与萌发过程中转录组变化规律，鉴定到蓝铜蛋白Plantacyanin是远红光调控的种子萌发过程中的关键因子。通过遗传分析、转录组比较、内源植物激素定量测定等实验，确定了定位于种子液泡的Plantacyanin是一个萌发抑制子，它能够下调GA/ABA的比例而发挥作用。本研究组的前期成果显示Plantacyanin是miR408的一个靶基因，本研究证明miR408是远红光调控的种子萌发过程中的一个激活子，进一步的分子实验证明了PIF1能够直接结合miR408的启动子并抑制其表达，构成了PIF1-miR408-Plantacyanin双重抑制通路。遗传学实验证实了PIF1通过抑制miR408而维持Plantacyanin以抑制萌发（图1）。

图1. PIF1-miR40-Plantacyanin抑制级联调控远红光下种子萌发

综合本研究与前人结果，提出了一个PIF1-miR40-Plantacyanin抑制级联调控远红光下种子萌发的分子机制。在黑暗中，由于phyA处于非活性状态，被稳定的PIF1结合到miR408启动子，导致miR408的转录抑制并使得Plantacyanin累积。在远红光照射后，phyA介导的PIF1降解导致miR408的转录激活，进而沉默Plantacyanin。从贮藏液泡中去除Plantacyanin有助于GA/ABA比例的增加，最终使种子萌发（图2）。这项研究对深入理解种子休眠与萌发机制具有重要意义，同时为种源技术攻关提供了新的思路。

图2. PIF1-miR40-Plantacyanin通路调控种子见光萌发的模式图

李磊研究员为本文通讯作者，北京大学生命科学学院博士后江安龙为本文第一作者，北京大学生命科学学院博士研究生郭仲龙和已毕业的潘加伟博士、高照旭博士对该论文亦有重要贡献。北京大学生命科学学院钟上威研究员为该项工作提供了帮助。该项目得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、蛋白质与植物基因研究国家重点实验室以及北大-清华生命科学联合中心的资助。（文/北京大学)