华南植物园揭示光调控种子萌发的分子机制

　　近日，中国科学院华南植物园研究员刘勋成团队在光调控种子萌发的分子机制研究中取得新进展，相关研究论文Identification of HDA15-PIF1 as a key repression module directing the transcriptional network of seed germination in the dark 在线发表于国际学术期刊《核酸研究》（Nucleic Acids Research）。

　　1952年，美国Beltsville农业研究中心Borthwick和hendricks以单色光处理莴苣种子，发现红光促进莴苣种子萌发，而远红光照射则逆转这一过程。在此发现的基础上，研究人员成功地从植物中鉴定分离出了第一类光受体——感受红光和远红光的光敏色素，从此开启了植物光信号研究的新篇章。在萌动的种子中，光敏色素以生理失活型（Pr）合成，在红光（或强自然光）照射下，Pr型转化为生理活跃型（Pfr），诱导种子内发生一系列基因转录及代谢反应，从而启动种子萌发过程。然而，光敏色素如何精细调控下游的基因转录网络，其机制有待进一步研究。

　　研究团队以模式植物拟南芥为研究材料，鉴定出一个关键的参与光调控种子萌发的抑制因子——组蛋白去乙酰化酶HDA15。遗传学分析发现，在拟南芥中突变HDA15基因促进光敏色素B（PHYB）介导的种子萌发，而过量表达HDA15基因则抑制这一过程；进而研究发现HDA15在遗传学上作用于PHYB下游，且HDA15抑制种子萌发依赖于一个关键的转录因子——PIF1蛋白。生化及转录网络分析显示，在远红光（或弱自然光）条件下，HDA15-PIF1在种子内发生蛋白互作，形成一个重要的转录抑制模块，共同抑制了包括赤霉素和生长素信号以及细胞壁水解等与萌发密切相关的267个基因的表达。进一步研究表明，HDA15-PIF1模块通过组蛋白去乙酰化作用降低萌发相关基因的转录活性和表达，从而抑制种子萌发的起始；相反，在红光（或强自然光）照射下，活化的PHYB诱导HDA15-PIF1模块从萌发相关基因上解离，解除转录抑制，从而起始种子的萌发。

　　该研究揭示了HDA15-PIF1为光敏色素介导的种子萌发途径中一个重要的基因转录调控模块。在不利的生长条件如黑暗时，植物种子通过该模块抑制基因转录从而维持休眠状态；而待阳光充足气温上升时，该模块自动解除，植物得以正常萌发和生长。该研究成果将为提高农作物种子萌发率的分子育种设计提供新的思路和理论指导。该研究得到了中科院青年创新促进会、国家自然科学基金及广东省自然科学基金等项目的资助。