植物调控早期种子铁装载的机制分析

　　2021年6月8日Molecular Plant在线发表了浙江大学郑绍建团队题为Restriction of Iron Loading into Developing Seeds by A YABBY Transcription Factor Safeguards Successful Reproduction in Arabidopsis的研究论文。该研究报道了拟南芥转录因子INO通过调控NRAMP1的表达以限制种子铁的过量装载，保护种子发育早期免受ROS的伤害进而保障植物的正常繁育。

　　种子铁是植物幼苗和动物铁营养的主要来源，也是人类膳食铁的重要来源。植物母体在结实过程中将铁运送进入种子加以储存，然而过量的铁又会对细胞产生毒害。目前已有报道揭示在种子发育早期铁的装载受到限制，然而植物是如何调控早期种子铁的装载，以及这一过程的生物学意义，至今仍然不清楚。

　　该研究首先观察到拟南芥基因INO的两个knockdown T-DNA插入突变体其种子铁含量显著提高并具有明显的耐缺铁表型，而INO过表达株系种子铁含量则比野生型显著减少（图1）。进一步研究发现，INO主要在种子发育早期的外株被及种皮中特异性表达，并且INO对种子铁含量的调控具有母体效应。通过对公共转录组数据库的挖掘分析，研究人员找到了潜在受INO调控的下游基因NRAMP1，其编码一个铁锰转运蛋白。研究人员分别从转录和蛋白水平上证明了NRAMP1在种子发育早期受到INO的抑制，并且通过LUC转录激活实验，MST，EMSA以及ChIP等方法证明了转录因子INO与NRAMP１启动子的直接结合。同时，研究人员发现 ino nramp双突变体能完全回复ino单突变体种子铁含量多的表型，从遗传学上证明了两者的上下游关系。最后，研究人员发现，ino突变体种子具有较低的结实率，这种现象在高铁供给的条件下更为严重。进一步发现，ino的种子败育主要缘于胚胎发育时期铁的过度累积所致，铁的过度装载导致ROS的大量累积从而造成胚细胞死亡，而这些均可以被nramp1突变所抑制。该研究阐明了种子发育早期铁装载受到限制的分子机制，并且揭示了该过程的生物学意义。

　　图1. INO调控种子铁含量

　　值得一提的是，该研究组在2020年报道了种子发育中后期铁累积的调控机制。综合两项研究得出，在拟南芥种子发育早期，INO通过在种皮中直接调控铁转运蛋白基因NRAMP1的表达来限制铁的过量装载，从而大幅减少由于铁过量累积所引起的胚细胞氧化损伤，进而保护种子胚胎发育的顺利进行；而在种子发育中后期，INO的表达明显降低，同时荚果中乙烯的合成显著提高。乙烯含量的增加，促使乙烯信号核心调控因子EIN3的大量累积，进而使EIN3下游靶标基因ERF95的表达明显提高。转录因子ERF95进一步直接调控种子铁蛋白基因FER1的表达，从而协助更多的铁装载入胚细胞的液泡中进行存储（图2）。

　　图2. 植物种子铁累积的调控机制

　　浙江大学生命科学学院博士研究生孙鹂为该论文的第一作者，浙江大学生命科学学院丁忠杰研究员和郑绍建教授为该论文通讯作者，牛津大学的Nicholas Harberd院士也参与了该研究。研究得到国家重点研发计划、浙江省自然科学基金等项目的资助。