Nature Communi | 北京大学秦跟基教授团队发现拟南芥TCP转录因子是高温下胚珠特性决定的关键因素

全球变暖和高温频率、强度和持续时间的增加严重威胁着全球粮食安全以及动植物的多样性和分布。与植物热形态发生相关的变化包括下胚轴、叶柄和根变长，以及早花、雄性不育和果实加速开裂。众所周知，孵化温度的差异会导致胚胎性器官的同源转换。尽管近年来已对植物热形态发生进行了广泛的研究，但高温对植物生殖器官同源异型转变的影响在很大程度上仍然未知。

2023年9月13日，Nature Communications在线发布了北京大学生命科学学院秦跟基教授课题组题为“Arabidopsis TCP4 transcription factor inhibits high temperature-induced homeotic conversion of ovules”的研究论文，该研究报道了植物特异性Class Ⅱ TCP转录因子在高温条件下阻止胚珠的同源异型转变中发挥核心作用。

胚珠起始于心皮，是被子植物双受精的场所，也是种子的前体，对植物繁殖和传播至关重要。因此，其各部分的特化及协调发育受到严格调控。根据花发育的四聚体模型，胚珠由MADS-box四类因子决定，其中包括SEPALATA（SEP）蛋白、AGAMOUS（AG）以及AG同源物如SEEDSTICK（STK）和SHATTERPROOF1（SHP1）或SHP2，而胚珠外的心皮由仅包含SEPs和AG的四聚体决定。遗传分析表明，AG-SEPs-STK/SHPs和AG-SEPs的活性及其之间的平衡对于胚珠的分化至关重要，但鲜有报道发现能够调控其平衡的因子。同源结构域转录因子BELL1（BEL1）已被证实能够以温度依赖的方式调节胚珠特性。然而，胚珠特性受温度影响的分子机制，以及BEL1稳定胚珠特性以对抗温度差异的分子机制尚不明确。

TEOSINTE BRANCHED 1/CYCLOIDEA/PCF（TCP）蛋白属于植物特异性转录因子家族。拟南芥中的TCP家族蛋白根据TCP结构域的序列差异分为Class I类和II类亚家族，II类TCP在调控植物发育方面具有功能高度冗余性和剂量依赖性，但目前还未被证实是否在调控胚珠特性方面发挥功能。该团队前期工作发现，Class I因子TCP5、TCP13和TCP17能够促进植物热形态建成以响应高温；在胚珠发育期间，TCPs的过表达会破坏大孢子母细胞（MMC）的产生；而tcp3/4/5/10四重突变体仅表现出较弱的胚珠发育表型；因此，推测Class II类TCPs转录因子的高度冗余可能掩盖了其在胚珠中的重要功能。

本研究利用高阶突变体分析发现，Class II类TCPs在高温下冗余性维持胚珠的特性。tcp2/3/4/5/10/13/17/17/24/12/18/18/16（tcpDUO）突变体显示出高温诱导胚珠转变为心皮结构的表型，而TCP4在tcpDUO中的表达能够回补胚珠特性的转换。TCP4与AG、SEP3和BEL1互作，以增强BEL1与AG-SEP3的结合。tcpDUO突变体在tcpDUO bel1和tcpDUO stk中与bel1以及胚珠决定基因STK突变体stk协同作用。因此，该研究结果证实Class II类TCPs在高温下维持胚珠特性的关键作用，并揭示了内在因素和环境温度综合决定胚珠特性的分子机制。

图1. tcpDUO突变体在高温下表现出胚珠向心皮的同源转化

图2. TCP转录因子调控胚珠特性的跷跷板工作模型

北京大学秦跟基教授为论文通讯作者，兰婧秋博士、王宁博士为本文共同第一作者，中科院遗传与发育生物学研究所曹晓风院士等参与了该项课题。本研究得到了国家自然科学基金（31970194）、国家杰出青年科学基金（31725005）和国家自然科学基金委创新研究群体科学基金项目（31621001）的资助。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-41416-1

转自：“植物生物学研究”微信公众号

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