PNAS | 成花素雙重功能:調控開花以及獨立於開花途徑的次生細胞壁合成

2021-02-08 BioArt植物

責編 | 逸雲

成花素是一種在開花植物中普遍存在的誘導花芽分化的激素，其可以調控植物的開花時間，並由SFT（SINGLE FLOWER TRUSS，FT的直系同源基因）基因編碼【1】。經典的番茄嫁接試驗證明了成花素在葉片產生並運送到頂端分生組織以誘導開花【2】。此外，SFT的過表達除了誘導植物早熟開花之外，還會導致植物生長的遲緩，這暗示了SFT功能的多樣性【3】。成花素除了誘導開花，還可以導致複葉的簡化和莖的橫向擴張受阻（圖1）。這說明成花素在開花植物中具有雙重功能：在頂端分生組織中促進開花，在其他營養分生組織中抑制生長。成花素依賴性的營養生長的改變意味著生長的終止，因此成花素也被認為是生長停止的調節因子，但是目前在向開花轉變期間關於開花和莖代謝重編程的聯繫以及成花素終止生長的遺傳和分子機制尚不清楚。

 

圖1 番茄主要生長習性示意圖

(A) WT tomato plant. L, leaf; In, internode; SU, sympodial unit. (B) 35S:SFT induces premature flowering. (C) sft induces late flowering, suppresses sympodial growth, and forms single flower truss inflorescences.


近日，以色列理工學院Technion–Israel Institute of Technology 的Eliezer Lifschitz團隊在PNAS發表了一篇題為The flowering hormone florigen accelerates secondary cell wall biogenesis to harmonize vascular maturation with reproductive development 的研究論文。該研究以番茄為研究對象，揭示了成花素調控番茄維管組織成熟的機制。



該研究通過轉錄組分析發現，成花素改變（WT, sft和35S:SFT株係為研究對象）引起的差異表達基因主要富集在與SCWB（secondary cell wall biogenesis）有關的代謝和基因調控網絡中，而其他與開花有關的基因並沒有被成花素改變。內源可移動的成花素，可以在FT誘導後24小時（解剖變化發生變化之前）後激發番茄莖中SCWB網絡的上調（SCWB與維管成熟有關）（圖2）。這表明SCWB是番茄莖中成花素的最終代謝靶標。

 

圖2. 成花素上調SCWB網絡


此外，成花素可以促進MADS 和 MIF基因的表達，反過來調節莖的維管成熟和徑向擴張的速率，而與開花與否或者成花素的水平無關。成花素對維管的正常發育不是必需的，分生組織的營養生長或者番茄sft植株的開花不需要成花素也可以進行。以上表明植物維管的成熟與開花之間是相互獨立的，而成花素可以作為植物的「外圍」調節因子發揮作用。


總之，該研究表明成花素觸發了一個獨立於花的發育程序，最終加速了番茄莖的次生細胞壁的生物發生，從而促進了維管的成熟和莖的適應性改變。成花素通過協調相互獨立的開花和次生細胞壁生物發生，在生殖階段起著協調和溝通的作用。


參考文獻

【1】Kobayashi Y, Weigel D (2007) Move on up, it’s time for change—mobile signals controlling photoperiod-dependent flowering. Genes Dev 21:2371–2384

【2】Shalit, A., Rozman, A., Goldshmidt, A., Alvarez, J. P., Bowman, J. L., Eshed, Y., & Lifschitz, E. (2009). The flowering hormone florigen functions as a general systemic regulator of growth and termination. Proceedings of the National Academy of Sciences, 106, 8392-8397.

【3】Lifschitz E, et al. (2006) The tomato FT ortholog triggers systemic signals that regulate growth and flowering and substitute for diverse environmental stimuli. Proc Natl Acad Sci USA 103:6398–6403


原文連結：

https://doi.org/10.1073/pnas.1906405116


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