科學家發現糖信號通過影響生長素合成參與種子灌漿過程的分子機制

2020-10-06 BioArt植物

New Phytol. | 6-磷酸海藻糖通過激活生長素合成促進種子灌漿


責編 | 逸雲


種子從早期的胚發育到灌漿是一個重要的過程，可以保證種子的存活和營養存儲。種子胚胎的這種分化過程受到糖和激素的調控。研究表明，種皮中的蔗糖酶可以通過控制進入種子早期胚胎的蔗糖水平影響該發育進程【1】。6-磷酸海藻糖（T6P）作為海藻糖生物合成的中間產物，也被證明是連接植物發育與碳代謝以及啟動種子灌漿過程的關鍵因子【2】。最近的研究還發現，糖代謝反應和種子發育進程還受到生長素生物合成的影響【3】，但是目前尚不清楚種子中的碳水化合物代謝和生長素之間是否可以協同調控該過程。


近日，德國Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research的Tobias Meitzel及其合作者在New Phytologist在線發表了一篇題為Trehalose 6-phosphate promotes seed filling by activating auxin biosynthesis的研究論文，揭示了糖信號通過影響生長素合成參與種子灌漿過程的分子機制。



該研究首先對生長過程中的豌豆胚進行了代謝分析，發現T6P的水平在種子胚-灌漿過渡階段與蔗糖的變化高度一致，並且在種子營養儲存時期保持較高水平，這表明T6P可能響應蔗糖的積累從而控制種子發育變化。在此基礎上，該研究進一步通過構建轉基因株系或異源表達體系增強了T6P磷酸酶（TPP，催化T6P脫磷酸為海藻糖）的表達，從而減少了種子胚中的T6P含量。結果發現，轉基因株系的豌豆胚中的蔗糖水平升高但澱粉顆粒變小，同時種子變小且皺縮。以上表明T6P是介導種子從胚發育到種子灌漿的關鍵因素，可以影響蔗糖向澱粉的轉化以及子葉分化過程。


T6P promotes reserve starch accumulation and cotyledon differentiation in pea


研究人員通過轉錄組分析發現了轉基因株系中生長素合成相關基因表達的變化，並鑑定到生長素合成基因TAR2（TRYPTOPHAN AMINOTRANSFERASE RELATED2）作為T6P的潛在靶標。進一步的研究發現，tar2突變影響種子胚向灌漿過程的轉變，種子小且皺縮，同時澱粉含量降低。此外，該研究還通過對TAR2和TPP過表達株系進行雜交分離，發現後代即使TPP水平很高，但是TAR2的高表達可以將種子大小和澱粉含量恢復到正常水平。以上表明T6P在TAR2的上遊發揮作用。


A simplified model of the T6P-auxin signaling pathway regulating embryo maturation in pea


總之，該研究表明T6P通過刺激胚的生長以及維持澱粉生物合成在種子灌漿過程中發揮重要作用，並且生長素在T6P調控網絡的下遊發揮作用。該研究為代謝信號影響植物相變的激素調控機制的研究提供了依據。


參考文獻

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【3】McAdam EL, Meitzel T, Quittenden LJ, Davidson SE, Dalmais M, Bendahmane AI, Thompson R, Smith JJ, Nichols DS, Urquhart S, Gélinas-Marion A, Aubert G, Ross JJ. 2017. Evidence that auxin is required for normal seed size and starch synthesis in pea. New Phytologist 216: 193-204.


原文連結：

https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/nph.16956

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