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乐鱼kb体育袁政课题组在水稻花器官形态建成方向取得新进展

花是被子植物特有的生殖器官,也是被子植物分类的主要依据。在长期的演化过程中,被子植物的花形成了丰富多彩的形态和结构。经典的花从外向内依次由非生殖器官(花萼、花瓣)和生殖器官(雄蕊、雌蕊)组成,这些器官的大小、数量、形状和颜色等千差万别,使其成为研究植物器官形态建成和组织发育模式的理想材料。尽管近30年来的研究已经充分证明花器官发育的ABCDE模型部分适用于解释被子植物花器官属性建立的共同特征,但是,花器官发育后期形态多样性建成的分子调控机制仍鲜有报道。

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图1 花器官结构示意图

拟南芥和水稻分别是单、双子叶模式植物,它们的外轮器官形态结构完全不同。bop:内稃体区;le:外稃;lo:浆片;mrp:内稃边缘;pa:内稃;pe:花瓣;pi:雌蕊;rg:护颖;se:花萼;sl:不育外稃;st:雄蕊。

水稻花器官从外向内依次由外稃、内稃、浆片、雄蕊和雌蕊组成,其外轮非生殖器官的结构与拟南芥完全不同(图1)。水稻内稃在保护内轮生殖器官和后期种子发育中发挥重要作用,具有内稃边缘(margin of palea,MRP)和内稃体区(body of palea,BOP)两类特异的结构,其中MRP发育形成特有的弯钩状结构可与外稃边缘完美闭合,为种子生长发育提供合适的生长空间。但是,内稃如何发育形成MRP,以及MRP和BOP表皮细胞的不同分裂分化行为如何被协同调控仍不清楚。

4月8日,乐鱼kb体育生命科学技术学院/代谢与发育科学国际合作联合实验室袁政教授课题组在水稻内稃形态建成的分子机制方向取得新突破,在Developmental Cell期刊在线发表题为“OsMADS6-OsMADS32 and REP1 control palea cellular heterogeneity and morphogenesis in rice”的研究论文。发现两类调控内稃属性建立的转录因子在内稃形态建成中也发挥了重要作用,通过相互抑制的反馈调控网络,在BOP和MRP差异化调控细胞分裂分化行为。该研究在遗传、细胞和分子层面解析了内稃表皮细胞异质性生长的原因,充分证明细胞分裂分化的异质性是植物器官形态多样性建成的重要成因。乐鱼kb体育生命科学技术学院博士张雪莲为论文第一作者,袁政教授为通讯作者。武汉大学蔡强教授、乐鱼kb体育张大兵教授、丹麦哥本哈根大学Staffan Persson院士等参与了本项研究的实施。

为了回答水稻内稃器官如何发育形成BOP和MRP两类不同的组织这一生物学问题,研究人员首先系统追踪了全生育期内稃形态建成过程的细胞发育特征,根据内稃表皮细胞分裂和分化行为的变化,将内稃的发育进程划分为4 个阶段和12个时期,并对水稻内稃发育时期和表皮细胞形态特征进行了精细的划分和描述,为准确定义和理解水稻花器官形态建成的细胞学成因,以及后期研究内稃细胞发育的分子调控网络奠定了基础。细胞学分析发现,与BOP相比, MRP细胞提前退出细胞周期且染色体倍性增加,其表皮细胞分裂速率下降、细胞数目减少、面积变。籑RP表皮细胞分化受抑,不能形成类似BOP的硅化表皮细胞。从而证实水稻内稃BOP和MRP的细胞分裂分化行为具有异质性,可能受不同的遗传网络所调控。

为此,研究人员利用了两类内稃异常发育的突变体开展调控网络分析。Osmads6-2 和Osmads32-2突变体MRP变大,表皮细胞表现出类似BOP的生长发育模式。而retarded palea1-1rep1-1)突变体内稃变小呈半透明状,表皮细胞数量减少,BOP生长转变为类MRP生长模式。通过构建高阶组合突变体,研究人员发现OsMADS6、OsMADS32REP1冗余地调控内稃数量和属性建立,Osmads6-2 Osmads32-2 rep1-1三突变体内稃数量增加且完全呈BOP生长模式。并且,OsMADS6OsMADS32特异调控MRP细胞分裂分化行为,REP1则促进内稃细胞分裂分化,三者协同调控内稃的形态建成。同时,分子和遗传等证据表明OsMADS6和OsMADS32直接抑制REP1在MRP表达,REP1间接抑制OsMADS6在BOP中表达,从而建立OsMADS6-OsMADS32REP1的特异性时空表达模式,差异化调控BOP和MRP发育(图2)。

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图2 OsMADS6-OsMADS32REP1差异化调控BOP和MRP发育的遗传学分析

Osmads6-2 rep1-1和 Osmads32-2 rep1-1双突变体内稃变。砥し只杌赴,说明REP1遗传上位于OsMADS6OsMADS32调控BOP细胞分裂;而OsMADS6OsMADS32位于REP1遗传上位调控MRP细胞分裂分化行为。Osmads6-2 Osmads32-2 rep1-1三突变体内稃分裂为2个,内稃体积增大,MRP转变为BOP生长模式,说明OsMADS6、OsMADS32和REP1冗余地调控内稃数量和属性建立,OsMADS6OsMADS32特异调控MRP细胞分裂分化行为,REP1则促进内稃细胞分裂分化,三者协同调控内稃的形态建成。

研究人员进一步结合转录组、分子生物学、细胞学和遗传分析证明,REP1可以直接激活细胞周期蛋白依赖性激酶OsCDKB1;1基因在BOP高表达,过表达OsCDKB1;1可部分回复rep1-1内稃异常发育表型;而OsMADS6则直接抑制OsCDKB2;1在MRP中表达,Osmads6-2内稃增大的表型会被OsCDKB2;1显性负等位基因(CDKB2;1D-N)的过量表达所抑制,转基因植株的内稃与外稃正常闭合。

因此,该研究揭示了内稃属性基因OsMADS6-OsMADS32REP1通过特异性调控细胞周期基因表达,调节内稃MRP和BOP不同的细胞分裂分化行为的分子作用网络:REP1在BOP中正向调控OsCDKB1;1基因的表达,促进BOP细胞增殖和分化,形成硅化钢毛状表皮细胞;而OsMADS6在MRP中不仅直接抑制REP1表达,间接下调OsCDKB1;1基因表达,还直接抑制OsCDKB2;1表达,抑制MRP表皮细胞的分裂速率并促进表皮细胞进入核内复制,形成内稃边缘的长条形表皮细胞(图3)。研究人员还发现OsMADS6、OsMADS32REP1对细胞周期异质性的调控在拟南芥中也是保守的。

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图3 OsMADS6-OsMADS32和REP1调控水稻内稃细胞异质性生长的分子作用模型

MRPBOP表皮细胞具有不同的细胞分裂分化行为,分别受OsMADS6REP1特异性调控:REP1BOP中正向激活OsCDKB1;1基因的表达,且抑制OsMADS6基因表达,间接上调OsCDKB2;1基因表达,促进BOP细胞增殖和分化,形成硅化钢毛状表皮细胞;OsMADS6MRP中不仅直接抑制REP1基因表达,间接下调OsCDKB1;1基因表达,还直接抑制OsCDKB2;1基因表达,抑制MRP表皮细胞的分裂速率并促进表皮细胞进入核内复制,形成内稃边缘的长条形表皮细胞。当REP1基因突变时,BOPOsCDKB1;1表达水平下调,OsMADS6表达水平上调,间接下调OsCDKB2;1表达,促进rep1-1突变体BOP细胞进入核内复制,表现出类似于MRP细胞生长发育模式;当OsMADS6基因突变时,MRPOsCDKB2;1表达水平上调,且REP1表达水平上调,间接上调OsCDKB1;1表达,促进Osmads6-2突变体MRP细胞分裂分化,表现出类似于BOP细胞生长发育模式。MRP用绿色无填充框线表示,BOP用绿色填充框线表示,MRPBOP的边界由黑色线标记。基因的相对表达水平用填充框线表示。红色线标记MRPBOP细胞的形态。BOP,内稃体区;G1期,DNA复制前的准备时期; G2期,有丝分裂前的准备时期;M期,有丝分裂期;MRP,内稃边缘区;S期,细胞核DNA复制时期;WT,野生型。

总的来说,研究人员系统追踪了全生育期内稃形态建成过程中的细胞发育特征,在破解MRP和BOP细胞分裂和分化行为差异的基础上,运用遗传学、细胞生物学和分子生物学方法,揭示OsMADS6-OsMADS32和REP1通过时空特异性调控细胞周期的不同节律和速率,进而决定内稃中MRP和BOP区域性的异质性细胞分裂分化行为和形态建成。该研究不仅解析了水稻内稃表皮细胞异质性形成的原因,还为研究禾本科植物内稃演化规律和器官发育多样性的调控机制提供了重要的参考。

论文链接:https://www.cell.com/developmental-cell/abstract/S1534-5807(24)00194-1

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