PNAS | 种子DNA损伤反应促进拟南芥的发芽和生长

种子在干燥静止的状态下，细胞代谢降低到非常低的水平，是延长种子活力的有效机制。然而在干燥的状态下，细胞维持的途径的低活性与细胞结构和生物大分子的恶化有关，包括核酸和蛋白质。耐干燥的种子在与种子衰老相关的静止状态下基因组的损伤的积累。对植物的发芽及存活造成了威胁。成功发芽是植物生命周期的关键发育转变，对于植物在自然环境中的生存和作物生产力都至关重要。

在植物中，高水平的损伤诱导分生组织中的程序性细胞死亡（PCD）。蛋白激酶共济失调毛细血管扩张突变（ATM）和ATM和RAD3相关（ATR）协调植物的DNA损伤。来自ATM和ATR的信号由γ-1的转录因子抑制因子（SOG1）集成，SOG1介导的PCD为选择性消除分生组织中基因组受损的细胞提供了有效的机制。

近日，利兹大学生物科学学院Wanda M. Waterwort的团队在国际著名杂志PNAS上发表了一篇题为“Seed DNA damage responses promote germination and growth in Arabidopsis thaliana”的研究文章，作者发现吸收的拟南芥种子对DNA损伤表现出高度的抗性，并表明种子通过减少分生组织破坏和延迟SOG1依赖性程序性细胞死亡来最小化DNA损伤的影响。

（1）吸胀的种子表现出对DNA损伤的内在抵抗力。

作者通过用100-Gy X射线（2 Gy / min）对拟南芥种子进行照射，并监测新兴幼苗的根系生长，与未辐照的野生型拟南芥种子做对照。（图1A）结果表明，在胚胎发生后的早期阶段，种子对DNA损伤影响的抵抗力增加。证明了耐干燥的种子可以承受严重的遗传毒性胁迫，并减轻基因组损伤对后续植物生长的影响这一假设。

进一步研究种子对遗传毒性胁迫的反应，通过碘化丙啶（PI）染色和共聚焦显微镜观察监测辐照后不同时间点的细胞死亡发生率（图1B-D），分析野生型和sog1突变品系在发芽过程中的X射线诱导的PCD。通过掺入胸苷核苷类似物乙炔基脱氧尿苷（EdU）来监测S期（DNA复制）的启动（图1E-F），分析了发芽种子的细胞周期活性。结果表明植物对DNA损伤具有明显的生理反应，取决于发育阶段并反映潜在的细胞周期活性。

（2）转录DDR取决于植物发育阶段

结合在辐照种子中观察到的低PCD和低分生组织破坏，对DDR的分析（图2）表明，与幼苗相比，种子对DNA损伤表现出不同的转录反应，这是它们对基因组胁迫的独特生理反应的基础。

（3）SOG1调节衰老反应的发芽

利用模拟自然老化过程（35 °C和83%相对湿度）加速老化研究了野生型和sog1突变种子的发芽性能（图3A-B）以及转移到土壤后的存活率（图3C）。接下来，我们研究了sog1介导的PCD在野生型和sog1突变种子萌发后2 d的发病率，利用PI活力染色的拟南芥胚胎，在辐照种子中观察到PCD。（图3D-E）。结果表明，SOG1激活导致衰老的种子中的PCD延迟萌发，有助于成功建立幼苗。

（4）种子长寿所需的DNA修复途径

种子在发芽早期对DNA损伤表现出的不敏感，与细胞周期激活前完成DNA修复是一致的。这最大限度地减少了在干燥和静止中积累的DNA损伤的突变和生长抑制作用。作者将所有突变品系一起分析（图4），对缺乏代表主要途径的核心因子的突变株的遗传分析，研究了种子寿命中特定DNA修复途径的需求。结果表明，所有DNA修复途径都有助于维持种子的寿命，但细胞毒性DSBs的修复对于种子活力和活力是最重要的。

耐干燥种子在干燥和静止中引起显着水平的基因组损伤，这导致种子老化，影响种子质量，研究结果表明，低细胞周期活性和DDR提供了维持生长和基因组稳定性的机制，减轻了植物生命周期这一关键阶段静止期间发生的基因组损伤。了解对种子发芽性能和活力至关重要的DNA修复过程，在开发种子批次质量的预测标记和作物对种子胁迫的抗逆性遗传改良方面具有潜在的应用。

原文链接：

https://doi.org/10.1073/pnas.2202172119

转自：植物生物技术Pbj

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