華南植物園揭示光調控種子萌發的分子機制

　　近日，中國科學院華南植物園研究員劉勛成團隊在光調控種子萌發的分子機制研究中取得新進展，相關研究論文Identification of HDA15-PIF1 as a key repression module directing the transcriptional network of seed germination in the dark 在線發表于國際學術期刊《核酸研究》（Nucleic Acids Research）。

　　1952年，美國Beltsville農業研究中心Borthwick和hendricks以單色光處理萵苣種子，發現紅光促進萵苣種子萌發，而遠紅光照射則逆轉這一過程。在此發現的基礎上，研究人員成功地從植物中鑒定分離出了第一類光受體——感受紅光和遠紅光的光敏色素，從此開啟了植物光信號研究的新篇章。在萌動的種子中，光敏色素以生理失活型（Pr）合成，在紅光（或強自然光）照射下，Pr型轉化為生理活躍型（Pfr），誘導種子內發生一系列基因轉錄及代謝反應，從而啟動種子萌發過程。然而，光敏色素如何精細調控下游的基因轉錄網絡，其機制有待進一步研究。

　　研究團隊以模式植物擬南芥為研究材料，鑒定出一個關鍵的參與光調控種子萌發的抑制因子——組蛋白去乙酰化酶HDA15。遺傳學分析發現，在擬南芥中突變HDA15基因促進光敏色素B（PHYB）介導的種子萌發，而過量表達HDA15基因則抑制這一過程；進而研究發現HDA15在遺傳學上作用于PHYB下游，且HDA15抑制種子萌發依賴于一個關鍵的轉錄因子——PIF1蛋白。生化及轉錄網絡分析顯示，在遠紅光（或弱自然光）條件下，HDA15-PIF1在種子內發生蛋白互作，形成一個重要的轉錄抑制模塊，共同抑制了包括赤霉素和生長素信號以及細胞壁水解等與萌發密切相關的267個基因的表達。進一步研究表明，HDA15-PIF1模塊通過組蛋白去乙酰化作用降低萌發相關基因的轉錄活性和表達，從而抑制種子萌發的起始；相反，在紅光（或強自然光）照射下，活化的PHYB誘導HDA15-PIF1模塊從萌發相關基因上解離，解除轉錄抑制，從而起始種子的萌發。

　　該研究揭示了HDA15-PIF1為光敏色素介導的種子萌發途徑中一個重要的基因轉錄調控模塊。在不利的生長條件如黑暗時，植物種子通過該模塊抑制基因轉錄從而維持休眠狀態；而待陽光充足氣溫上升時，該模塊自動解除，植物得以正常萌發和生長。該研究成果將為提高農作物種子萌發率的分子育種設計提供新的思路和理論指導。該研究得到了中科院青年創新促進會、國家自然科學基金及廣東省自然科學基金等項目的資助。