Plant Cell | 山东大学周传恩团队揭示MtKNOX4–MtSAW1/2调控苜蓿种子物理休眠的分子机制

种子物理休眠是豆科植物中广泛存在的重要适应性性状，其形成主要依赖于不透水种皮屏障的建立。种皮栅栏层及其相关角质层和细胞壁结构共同限制水分进入种子，从而维持休眠状态。该性状有助于植物适应复杂环境并延长种子寿命，但过强的“硬实性”也会影响农业生产中种子的整齐萌发和幼苗建植。因此，解析种皮不透水屏障形成的分子机制，对于理解植物环境适应策略及豆科作物种子性状改良具有重要意义。

近日，山东大学生命科学学院周传恩教授团队在国际知名植物学期刊The Plant Cell在线发表题为Aregulatory module integrates lipid metabolism and cell wall remodeling to establish the seed coat palisade barrier的研究论文。该研究揭示了MtKNOX4–MtSAW1/2调控模块协同调控 苜蓿 种皮脂质代谢与细胞壁重塑，促进种皮栅栏层屏障形成并建立种子物理休眠的分子机制。

研究团队利用单细胞核RNA测序技术，对蒺藜苜蓿早期成熟阶段种子开展细胞类型水平的转录组分析，构建了早期成熟阶段种子的单细胞核转录组图谱，并在种皮表皮细胞拟时序发育轨迹中鉴定出两个BEL1-like转录因子MtSAW1和MtSAW2。研究发现，MtSAW1和MtSAW2主要在种皮栅栏层细胞中表达，并以功能冗余的方式共同调控种皮屏障形成，从而影响种子物理休眠。进一步研究表明，MtSAW1/2单独表达时主要定位于细胞质，而MtKNOX4可与二者发生蛋白互作并促进其进入细胞核，形成具有转录调控活性的MtKNOX4–MtSAW1/2复合体。进一步研究发现，MtKNOX4–MtSAW1/2复合体直接调控两个关键下游靶基因：编码脂肪酸ω-羟化酶的MtATT1和编码果胶乙酰酯酶的MtPAE8。其中，MtATT1参与种皮脂质屏障形成，MtPAE8参与果胶去乙酰化和细胞壁重塑。遗传学和分子生物学实验表明，降低MtATT1表达或破坏MtPAE8功能，均会导致种皮结构和屏障功能受损，从而削弱种子物理休眠。

基于上述结果，研究团队提出，MtKNOX4通过促进MtSAW1/2进入细胞核形成转录调控复合体，并分别调控MtATT1介导的脂质代谢途径和MtPAE8介导的果胶重塑途径，从而协调种皮脂质屏障形成与细胞壁重塑，共同促进种皮栅栏层不透水屏障形成，最终形成种子物理休眠。该研究揭示了MtKNOX4–MtSAW1/2调控模块参与种皮屏障形成和种子物理休眠建立的分子机制，为解析豆科植物种子物理休眠形成机制以及调控作物硬实性状、优化种子萌发特性提供了新的理论依据和潜在分子靶点。

图：MtKNOX4–MtSAW1/2 调控模块控制种子物理休眠的工作模型

山东大学生命科学学院博士后卢志超为论文第一作者，山东大学周传恩教授为论文通讯作者。山东大学韩璐副教授、谷植群博士、许艺滕实验师、张静科研助理、张雪博士、博士后王敏和蒋洪娇，山东省花生研究所王洪峰副研究员，青岛农业大学王增裕教授、柴茂峰教授，内蒙古国家草业技术创新中心有限公司苑峰、刘亚玲、王召明，中国科学院西北生态环境资源研究院潘成臣研究员，美国俄克拉荷马州立大学Kirankumar S. Mysore教授和Jiangqi Wen教授，以及加拿大阿尔格玛大学Isabel Molina教授参与了本研究。该研究得到草业国家技术创新中心重大创新平台建设专项、国家自然科学基金、中国博士后科学基金、山东省自然科学基金和泰山学者工程等项目资助。

周传恩教授课题组长期从事苜蓿发育生物学与遗传改良研究，相关成果先后发表于Nature Communications、PNAS、The Plant Cell、Molecular Plant、New Phytologist、Plant Biotechnology Journal、Plant Physiology、The Plant Journal 和 Journal of Integrative Plant Biology 等国际学术期刊。实验室链接:

https://faculty.sdu.edu.cn/zhouchuanen/zh_CN/index.htm

论文链接：

https://doi.org/10.1093/plcell/koag255