秦跟基课题通过构建拟南芥十二重突变体揭示雌蕊顶端命运决定的分子机制

被子植物的花是植物演化中的重要创新性状。花一般由萼片、花瓣、雄蕊和雌蕊组成，其中雌蕊是最重要的雌性生殖器官。在长期演化过程中，雌蕊形成复杂的结构以顺利完成有性生殖过程。雌蕊顶端包括柱头和花柱，是接收花粉、促进花粉萌发和生长以完成双受精的关键门户，与农作物的产量密切相关。雌蕊顶端精细结构是如何形成的？到目前为止，对该科学问题的研究还相对较少。

2024年4月，北京大学蛋白质与植物基因研究国家重点实验室秦跟基课题组在国际著名植物学专业期刊Plant Cell上发表了题为“Arabidopsis transcription factor TCP4 controls the identity of the apical gynoecium”的论文，揭示了转录因子TCP4（TEOSINTE BRANCHED 1/CYCLOIDEA/PCF 4）与雌蕊顶端发育的关键转录因子CRC（CRABS CLAW）、NGAs（NGATHAs）形成转录激活复合体，直接调控生长素合成基因YUCCAs（YUCs）的表达，进而控制雌蕊顶端命运的分子机制。

秦跟基教授课题组长期从事植物重要转录因子家族TCP的功能研究，该实验室前期通过遗传杂交和基因组定点敲除技术构建了敲除TCP功能的七重突变体tcpSEP（the tcp septuplemutant,tcp2 tcp3 tcp4 tcp5 tcp10 tcp13 tcp17）和十二重突变体tcpDUO（the tcp duodecuple mutant,tcp2 tcp3 tcp4 tcp5 tcp10 tcp13 tcp17 tcp24 tcp1 tcp12 tcp18 tcp16），发现TCP 转录因子调控表皮毛细胞命运（Lan et al., Plant Physiol, 2021）、调控花瓣叶绿体向白质体转变从而调控花瓣颜色（Zheng et al., Plant Communi, 2022）以及在高温下保护胚珠命运不向心皮转变的重要功能（Lan et al., Nature Communi, 2023）。在此基础上，该课题组对tcpDUO进行了进一步详细分析，发现tcpSEP和tcpDUO突变体具有更长更窄的花柱（图1A-1C）。CRC是已知的控制雌蕊顶端的关键转录因子。在tcpDUO背景下，用基因组定点敲除技术进一步敲除了CRC构建了十三重复突变体tcpDUO crc。有意思的是，虽然tcpDUO和crc均能形成柱头和花柱，但tcpDUO crc的雌蕊顶端的花柱和柱头被一种无限生长的未知结构所代替（图1D）。为解析TCP和CRC协同控制雌蕊顶端命运的分子机制，通过收集野生型、tcpDUO和crc的雌蕊顶端进行转录组测序分析，发现TCP和CRC协同调控了多个重要基因，包括控制雌蕊顶端的NGA基因。进一步在tcpDUO背景下敲除三个NGA基因的功能构建十五重突变体tcpDUO nga1 nga2 nga4，发现tcpDUO nga1 nga2 nga4的柱头和花柱也消失了，取而代之的是与tcpDUO crc雌蕊顶端类似的结构。通过生化分析发现TCP4与CRC以及NGA均相互作用，并发现TCP4可直接结合到分枝相关基因EXB1的启动子区负调控EXB1的表达；TCP4还直接结合到生长素合成关键酶的基因YUC2启动子区来正调控YUC2表达。

图1. TCP转录因子控制雌蕊顶端命运决定。（A）野生型的雌蕊顶端结构。（B）tcpSEP突变体的雌蕊顶端结构。（C）tcpDUO突变体的雌蕊顶端结构。（D）tcpDUO crc突变体的雌蕊结构。（E）TCP转录因子调控雌蕊顶端命运决定的工作模型。TCP4直接结合EXB1或NGAs的启动子，EXB1受到TCP4的负调控，NGAs被TCP4或TCP4-CRC复合体正调控，NGAs上调SSS2基因的表达，EXB1的下调和SSS2的上调共同导致花柱伸长受到抑制。同时，TCP4和CRC可独立上调或与NGAs形成复合物共同上调YUCs的表达，从而调控顶端雌蕊的命运决定。

该成果不仅阐明了TCP转录因子在调控雌蕊顶端命运中的重要新功能，还揭示了其分子作用机制，即TCP4和CRC共同表达在雌蕊顶端，TCP4独立或与CRC形成复合体促进NGA基因的表达。TCP4可抑制EXB1的表达，NGA蛋白直接结合到SSS2的启动子区，促进SSS2表达，共同调控花柱伸长。TCP4和CRC分别独立或与NGAs形成多聚转录激活复合体促进YUC等基因表达，协同调控生长素的原位合成和极性运输，在雌蕊顶端形成生长素梯度，进而控制雌蕊顶端的命运决定（图1D）。该成果完善了雌蕊顶端形成的分子调控网络，对深入理解植物生殖器官形成的精细调控机制具有重要意义。植物通过这种转录级联调控网络对较复杂植物器官的形成进行精细调控，使植物快速、高效、准确地形成功能结构。

北京大学生命科学学院博士后王宇涛和博士生王宁为该论文的共同第一作者。北京大学生命科学学院秦跟基教授为该论文的通讯作者。北京大学生命科学学院已毕业的兰婧秋博士（现为中国科学院遗传与发育生物学研究所曹晓风院士课题组博士后）、北京大学生命科学学院陈雪梅教授以及中国科学院东北地理与农业生态研究所冯献忠研究员也做了重要贡献。该工作得到了国家自然科学基金杰出青年项目、国家自然科学基金青年项目、中国博士后科学基金面上项目、北京大学蛋白质与植物基因研究国家重点实验室以及西南联合研究生院的支持。

全文链接：https://academic.oup.com/plcell/advance-article/doi/10.1093/plcell/koae107/7641784。