2022年11月15日，Nature communications在线发表了美国威斯康星大学密尔沃基分校Dazhong Zhao团队及其合作者题为“Specification of female germline by microRNA orchestrated auxin signaling in Arabidopsis”的研究论文。该研究发现miR160通过调控其目标基因ARF17定义了生长素转运蛋白PIN1的表达域，从而限制生长素信号在胚珠中的空间分布，有助于生长素在胚珠顶端建立局部最大值以及在大孢子母细胞中积累；揭示了miRNA微调生长素信号，促进植物获得雌性生殖细胞命运的分子机制。
https://doi.org/10.1038/s41467-022-34723-6
生殖细胞（germline cells）的分化发育，是动植物中长期存在的基础问题之一。在开花植物的生命周期中，二倍体孢子体和单倍体配子体之间的世代交替，通过花朵生殖器官中的生殖细胞联系起来。大孢子母细胞（MMC），是最初的雌性生殖细胞，通常起源于雌性生殖器官中胚珠的一个体细胞。MMC经减数分裂产生四个单倍体大孢子，但只有一个功能性大孢子（FM）存活下来并产生雌配子体，称为胚囊或大配子体；其中包含了一个单倍体的卵细胞，并在双重受精后，最终形成含有性生殖胚胎的种子。早期研究确定了多个负调节途径，它们限制了每个胚珠只能有一个MMC；相关基因有RBR1、WUS、CDKA;1、TDL1A/MAC1、MSP1、ARF3、AGO9、RDR6、MEM和SPL/NZZ等。然而，MMC细胞发育的正调控机制，仍不清楚。
植物激素生长素IAA，是植物生长发育的主要调节因子；但IAA信号通路是否能给MMC提供位置信息并调控MMC发育，目前仍不清楚。该研究前期发现，拟南芥MIR160a的基因功能缺失突变体foc存在胚胎发育缺陷。同时，miR160可负调控IAA通路中ARF10、ARF16和ARF17的表达。那么，miR160和IAA信号是否参与了MMC的发育调控呢？
利用微分干涉反差显微镜（DIC）和MMC标记pKNU::KNU-VENUS的共聚焦荧光显微镜，该研究发现，foc胚珠中有两个或多个MMC样细胞（MMCL）。通过分别表达miR160耐受型ARF10、ARF16和ARF17基因，该研究发现，ARF17转录后调控受阻也会产生多个MMCL；表明miR160对ARF17的转录后调控是确保每个胚珠中只有单个MMC的关键因素（Figure 1）。
Figure 1. miR160及其目标基因ARF17可调控MMC的形成
利用原位杂交，该研究发现MIR160a基因主要在胚珠的合点（chalaza）和珠柄（funiculus）中表达；成熟的miR160除上述位点外，也在MMC中富集；表明成熟miR160可在一系列胚珠细胞中具有活性，尤其是MMC。与miR160类似，ARF17也在胚珠的MMC、合点和珠柄中表达，且在foc胚珠中的表达水平更高。但是，在MMC及其前体细胞中敲除miR160或表达miR160耐受型ARF17，并不会产生多个MMCL；表明ARF17仅在MMC中过表达不足以促进MMC增殖（Figure 2）。
Figure 2. miR160和ARF17表达对MMC的规范
在拟南芥中，spl/nzz突变体无法发育产生MMC；该研究发现，ARF17的过表达可部分恢复spl突变体中雌配子的发生。通过构建并分析不同的arf17突变体及arf17spl双突变体，研究人员证实ARF17是规范MMC发育所必需的，且处于SPL/NZZ的下游。
那么，IAA信号是否也调控了MMC的发育呢？利用NPA抑制IAA的极性转运或局部过表达IAA生物合成基因YUC1，该研究发现，它们可使胚珠产生多个MMCL或MMC。另外，NPA处理会导致合点中部细胞中PIN1的表达域扩展，从而使IAA在珠心（nucellus）和合点中富集。这些结果表明，PIN1对IAA活性的空间限制，对MMC的分化形成至关重要（Figure 3）。
Figure 3. PIN1可建立胚珠中的局部IAA信号
那么，局部IAA信号和miR160对ARF17调控之间存在着怎样的联系呢？该研究发现，在正常情况下，单个IAA最大值在胚珠发育的第II-III阶段会出现在珠心的顶端；但是，foc胚珠或miR160耐受型ARF17的表达，都会改变IAA最大值的分布。进一步研究显示，foc胚珠或miR160耐受型ARF17的表达，可改变PIN1在胚珠中的表达域；表明miR160和ARF17通过调节PIN1的表达域，在胚珠顶端建立单个局部IAA最大值，并在珠心和 MMC中积累IAA（Figure 4）。
Figure 4. miR160和ARF17通过PIN1控制胚珠中的IAA最大值
最后，IAA信号是否通过ARF17和SPL/NZZ来规范MMC？通过NPA处理和表型分析，该研究发现，IAA信号诱导的MMC规范需要ARF17和SPL/NZZ；表明miR160靶向的ARF17、SPL/NZZ和PIN1调控的IAA信号提供了空间限制信息，从而确保每个胚珠中只有单个MMC的规范。
综上所述，该研究发现miR160的目标基因ARF17，与SPL/NZZ可限制IAA信号在胚珠中的空间，揭示了IAA信号传导在拟南芥中正调控每个胚珠中只有一个MMC的分子机制 ：在正常的胚珠发育过程中，MIR160a基因在胚珠细胞中表达，而成熟的miR160在皮下细胞中特别活跃，并下调ARF17的表达；受IAA的诱导，ARF17蛋白主要存在于 MMC中，并可能被IAA激活；ARF17与SPL/NZZ 存在遗传互作，可能会影响彼此的表达，ARF17和SPL/NZZ可影响PIN1的表达域，从而有助于在胚珠顶端建立IAA最大值并促进IAA在MMC中的积累；miR160和IAA信号之间的微妙平衡介导了ARF17功能的精确控制，从而导致只有一个皮下细胞分化发育成MMC（Figure 5）。
Figure 5. MMC发育规范的正调控机制
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-34723-6
来源：MP植物科学
转自：“iPlants”微信公众号
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