發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄抑制機(jī)制決定被子植物中央細(xì)胞命運(yùn)（2020.3.10 中國(guó)科學(xué)院）

被子植物是當(dāng)今植物界中種類最多、分布最廣、適應(yīng)性最強(qiáng)的類群。有別于其它植物類群，被子植物進(jìn)化出了獨(dú)特的雙受精生殖模式，即雄配子體花粉中的兩個(gè)精細(xì)胞分別與雌配子體內(nèi)部的卵細(xì)胞和中央細(xì)胞融合，并進(jìn)一步發(fā)育成胚和胚乳。被子植物雙受精機(jī)制的出現(xiàn)導(dǎo)致了胚乳的產(chǎn)生，能夠?yàn)樾律呐咛峁┍匾酿B(yǎng)分從而確保胚的正常發(fā)育，為后代的繁衍和興盛奠定了基礎(chǔ)。中央細(xì)胞作為胚乳的前體細(xì)胞，其功能和產(chǎn)生的機(jī)制一直是植物有性生殖領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

雌配子體——胚囊的發(fā)育起始于大孢子母細(xì)胞，隨后又經(jīng)過(guò)了減數(shù)分裂、有絲分裂以及細(xì)胞分化等一系列生物學(xué)過(guò)程最終發(fā)育為成熟的雌配子體。大部分被子植物的成熟雌配子體里有四類細(xì)胞，分別是位于珠孔端的兩個(gè)助細(xì)胞和一個(gè)卵細(xì)胞、位于合點(diǎn)端的三個(gè)反足細(xì)胞和處于胚囊中央位置的中央細(xì)胞。其中，除卵細(xì)胞外，中央細(xì)胞作為第二個(gè)雌配子參與調(diào)控花粉管吸引和與精子融合，是被子植物所特有的，也是雙受精的關(guān)鍵。近些年來(lái)，人們對(duì)于胚囊里這四類細(xì)胞的命運(yùn)決定機(jī)制的研究從未間斷，越來(lái)越多的調(diào)控胚囊發(fā)育和細(xì)胞分化的基因被鑒定。但對(duì)于胚囊內(nèi)中央細(xì)胞的命運(yùn)決定機(jī)制的研究一直很少。

3月4日，中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所楊維才研究組在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》（PNAS）在線發(fā)表了題為T(mén)ranscriptional repression specifies the central cell for double fertilization （DOI：10.1073/pnas.1909465117） 的研究論文。該研究揭示了中央細(xì)胞特異的轉(zhuǎn)錄抑制復(fù)合體AGL80-TPL/TPRs決定中央細(xì)胞命運(yùn)進(jìn)而影響其受精的分子機(jī)制，且進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)這一機(jī)制在十字花科植物中具有保守性，為人們研究中央細(xì)胞的起源及受精過(guò)程提供了線索和可能的研究方向。

AGL80是一個(gè)在中央細(xì)胞特異表達(dá)的Type I MADS-box家族的轉(zhuǎn)錄因子，前人的研究發(fā)現(xiàn)其突變體的中央細(xì)胞變小且無(wú)法啟動(dòng)胚乳的發(fā)育，推測(cè)其可能參與了中央細(xì)胞的發(fā)育過(guò)程。在此基礎(chǔ)上，本文的研究人員進(jìn)行了受精實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其agl80中央細(xì)胞無(wú)法完成受精，而卵細(xì)胞的受精不受影響。進(jìn)一步，研究人員發(fā)現(xiàn)突變體的中央細(xì)胞表達(dá)了助細(xì)胞（如MYB98）和反足細(xì)胞（如DD1）特異的基因，即agl80中央細(xì)胞可能獲得了非配子細(xì)胞的命運(yùn)。

通過(guò)對(duì)AGL80蛋白序列分析，研究人員發(fā)現(xiàn)其C端含有一個(gè)EAR motif，并發(fā)現(xiàn)AGL80能夠與轉(zhuǎn)錄抑制復(fù)合體TOPLESS（TPL）家族五個(gè)成員發(fā)生互作，該互作依賴于EAR motif。不僅如此，含有EAR motif突變的AGL80不能互補(bǔ)突變體異常的中央細(xì)胞。這些結(jié)果表明AGL80很可能與TPL家族形成轉(zhuǎn)錄抑制復(fù)合體在中央細(xì)胞的命運(yùn)決定中發(fā)揮功能。為了進(jìn)一步證明AGL80在胚囊內(nèi)的轉(zhuǎn)錄抑制活性，研究人員將AGL80異位表達(dá)在助細(xì)胞，結(jié)果發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因植株出現(xiàn)了不同程度的花粉管導(dǎo)向缺陷表型，并發(fā)現(xiàn)參與花粉管導(dǎo)向的助細(xì)胞特異基因MYB98的轉(zhuǎn)錄呈現(xiàn)不同程度的下調(diào)，且表達(dá)量與花粉管導(dǎo)向缺陷的表型呈負(fù)相關(guān)，推測(cè)異位表達(dá)的AGL80可能抑制了助細(xì)胞中MYB98的轉(zhuǎn)錄。

鑒于MADS轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合CArG box順式元件，研究人員首先通過(guò)EMSA實(shí)驗(yàn)證明AGL80能夠結(jié)合MYB98啟動(dòng)子區(qū)的三個(gè)CArG box序列，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)突變了CArG box的MYB98可以在中央細(xì)胞表達(dá)，即啟動(dòng)子區(qū)CArG box突變的MYB98在中央細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄不能被抑制。有趣的是，研究人員又進(jìn)一步將中央細(xì)胞特異表達(dá)的基因DD22啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)mCherry報(bào)告基因轉(zhuǎn)入異位表達(dá)AGL80于助細(xì)胞的轉(zhuǎn)基因植株，發(fā)現(xiàn)在助細(xì)胞中也能夠檢測(cè)到紅色熒光，說(shuō)明助細(xì)胞異位表達(dá)的AGL80能夠在助細(xì)胞中啟動(dòng)DD22的轉(zhuǎn)錄。這些結(jié)果表明AGL80-TPL/TPRs復(fù)合體不僅能直接抑制助細(xì)胞特異基因如MYB98在中央細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄，而且還可能通過(guò)抑制某個(gè)中間因子間接激活中央細(xì)胞特異基因，如DD22，在中央細(xì)胞的表達(dá)。為了進(jìn)一步探究這一分子機(jī)制在進(jìn)化上的保守性，研究人員進(jìn)行了進(jìn)化和遺傳互補(bǔ)分析，AGL80-TPL/TPRs的這一轉(zhuǎn)錄抑制機(jī)制在十字花科植物中是保守的。

遺傳發(fā)育所研究員李紅菊和楊維才為該論文的共同通訊作者，已畢業(yè)博士張夢(mèng)夏和朱杉杉為該論文的共同第一作者。中科院植物研究所研究員郭亞龍和博士生徐永超也參與了部分工作。該論文得到國(guó)家自然科學(xué)基金和國(guó)家高層次人才特殊支持計(jì)劃的支持。