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德国科学家揭示拟南芥乙烯正调控因子EIN3双重相反机制调节种子发育

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为了了解这种特殊的胚乳成分是否影响胚乳发育,作者测量了处于四核期ein3突变体和野生型,发现与仅含有双亲胚乳的ein3种子相比,同时含有双亲胚乳ein3种子的胚乳膨胀显着降低。在活细胞成像上评估了胚乳大小动态,发现此期间胚乳经历了多达三个有丝分裂过程,sdn与早期胚乳的增加减少相关。作者对EIN3进行基因编辑产生新等位ein3-c1ein3-c1表现出比ein3更强的表型。利用协同特异性pDD2启动子控制的EIN3_SRDX产生协同核崩解缺陷表型。而使用仅在胚乳中表达的AtrBohD启动子驱动EIN3则没有发现细胞核分解和种子大小变小的表型,说明sdn和胚乳大小减少存在相关性。即EIN3介导了细胞核分解,促进了胚乳增大(图2)。

由于ein3 ein3-c1 等位基因对种子大小的影响,作者研究在早期发育阶段是否已经可以观察到 EIN3 的生长抑制作用。没有sdn的ein3种子胚乳直径相较野生型更大(图3)。野生型和ein3-c1没有显著的发育形态变化。作者进一步比较野生型、ein3 纯合子或ein3杂合子的种子,ein3杂合种子比ein3纯合种子小,但它们仍然明显大于野生型种子。来自ein3杂合的种子都明显大于WT,但种子大小相似,与其胚胎的基因型无关。这说明EIN3抑制作用归结于孢子体。EIN3在种子扩张中具有相反的和空间不同的作用,EIN3生长抑制功能受孢子和这种作用在早期胚乳阶段被促进生长的EIN3 功能所抵消,EIN3功能是受精后协同核的分解介导的。

图3 EIN3-依赖的孢子体信号抑制胚乳和种子增大

乙烯生物合成是通过 S-腺苷甲硫氨酸合酶 (SAM) 从甲硫氨酸生产腺苷甲硫氨酸开始的,这遵循两个步骤:S 腺苷-L-甲硫氨酸首先通过氨基环丙烷转化为 1-氨基环丙烷-1-羧酸 (ACC), 1-氨基环丙烷-1-羧酸合酶 (ACS) 和 ACC 通过氨基环丙烷-1-羧酸氧化酶 (ACO) 第二次转化为乙烯。作者分析了SAM、ACS和ACO酶家族基因即相应突变体,发现ein3种子能够在胚乳和受精卵检测到SAM1,SAM2及SAM3。作者还分析针对 SAM、ACS 和/或 ACO 基因的各种突变体和突变体组合的干种子大小时,我们检测到与这些突变体种子大小显著增加(图 4A)。这种效果在 acs八突种子中尤为明显,其中乙烯生产相较野生型显著减少。当仔细检查acs 八倍体突变体时,我们发现相当一部分在雌性配子体发育中表现出体被异常和早期缺陷。表明种子大小差异在种子发育早期开始。在分析acsaco突变系的各种组合时获得了类似的结果,即细胞核协同分解不需要或只需要少量乙烯。作者的数据表明细胞核协同分解和伴随的EIN3生长促进功能对乙烯没有反应或反应较弱,表明可能存在 X 因子在受精后激活EIN3信号。候选物包括茉莉酸、水杨酸或盐,它们之前曾与EIN3的调节有关。

作者最后提出EIN3调控种子发育双重作用工作模型。EIN3既可以受到乙烯调控抑制胚乳发育,又可以在受精作用下通过某种信号分子介导调控协同细胞核分解增加胚乳大小。这说明EIN3基因的复杂性。乙烯整合了各种植株内部和环境等外部选择压力,如果应用这个理论指导生产上的应用是一个值得努力的方向。

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