林风学院吴蔼民教授团队在植物发育及胁迫调控研究上取得新进展
近日，我校林学与风景园林学院/亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室吴蔼民教授团队系列分析了WRKY14和KNOXII成员KNAT3/4、KNAT3/7等转录因子在植物应对高温胁迫和植物发育中的功能，成果发表在植物学领域知名期刊Molecular Plant、Plant Physiology和Journal of Experimental Botany上。
高温极端天气频次的增多和持续时间的增长已使全球气候变暖成为各国面临的共同问题，严重影响农作物生产和粮食安全。植物对高温响应的分子机制已成为植物学家非常关注的重要科学问题。PIF4在植物热形态建成中起到关键的调控作用，然而PIF4转录因子激活活性的精细调控机制仍不十分清楚。吴蔼民教授课题组和北京大学秦跟基教授课题组合作近期在国际著名学术期刊Molecular Plant在线发表了题为“Activation Tagging Identifies WRKY14 as a Repressor of Plant Thermomorphogenesis in Arabidopsis”的研究论文，发现了ABT1/WRKY14通过与转录因子TCP5相互作用来精细调控PIF4转录因子的活性，从而控制植物热形态建成，并揭示了WRKY14、TCP5和PIF4形成一个复杂的调控模块精细微调PIF4的活性以使植物响应不同的温度变化。
WRKY14的氨基酸序列与ABT2/WRKY35、ABT3/WRKY65和ABT4/WRKY69的氨基酸序列高度相似并属于系统发育树中的同一进化支，这些WRKY的功能均未知。过量表达 ABT2 / WRKY35 、 ABT3 / WRKY65 或 ABT4 / WRKY69 的转基因株系均表现出和 abt1-D 类似对高温不敏感的表型。通过构建多重突变体，发现 abt1 abt2 abt3 abt4 四重突变体表现出与 abt1-D 相反的表型，对高温更敏感，下胚轴更长；进一步通过酵母双杂交、荧光素酶互补和Co-IP等实验证明了ABT1可以与TCP5、TCP13和TCP17相互作用；通过一系列生化实验，研究者揭示了ABT1调控植物热形态建成的分子机制，即ABT1和TCP5的相互作用，一方面抑制了TCP5对 PIF4 转录的激活，另一方面通过与PIF4争抢TCP5抑制了PIF4-TCP5转录激活复合体的活性，从而精细调控PIF4的转录激活活性和植物对高温的反应。研究者还通过一系列的遗传互作实验证明了ABT1确实与热形态建成的正调控因子PIF4、TCP5和BZR1具有相反的作用。
KNOX（Knotted1-like homeobox）家族基因编码同源异型结构域转录因子，分为KNOX I和KNOX II两个亚家族，在植物生长发育过程中起重要调控作用。其中I类基因调控顶端分生组织的发育，II类基因在不同植物组织中都有所表达，控制不同组织部位的发育。吴蔼民教授团队在KNOXII参与植物发育调控上开展了一系列工作，在国际知名植物学期刊Plant Physiology在线发表了题为“Transcription factors KNAT3 and KNAT4 are essential for integument and ovule formation in Arabidopsis”的研究论文（论文链接： https://doi.org/10.1093/plphys/kiac513 ）。
在植物的有性生殖过程中，珠被包裹珠心发育成完整的胚珠才能与花粉受精形成胚囊。现有研究已经报道了许多影响胚囊发育的调控因子，但胚囊发育的具体转录调控机制并不十分清楚。课题组研究发现拟南芥中II类KNOX基因成员 KNAT3 与 KNAT4 之间存在功能冗余，双突突变体中内外珠被不能正常发育，产生类珠被结构（integument-like structure），致使不能形成完整的胚珠，从而产生不育的性状。利用酵母双杂，双荧光素互补和免疫共沉淀实验发现KNAT3与KNAT4两者之间存在互作，并且两者都与外珠被调控因子INO存在互作，KNAT3/4和INO以复合体的形式调控外珠被的发育。以上结果证明了KNAT3与KNAT4是胚珠珠被发育重要的调控因子，为植物的生殖生长发育提供了理论根据。
吴蔼民教授团队在Journal of Experimental Botany上发表了“The Class II KNOX family members KNAT3 and KNAT7 redundantly participate in Arabidopsis seed coat mucilage biosynthesis”的研究论文。该研究报道了II类KNOX亚家族成员KNAT3和KNAT7正调控拟南芥种子的粘液质生物合成，其功能缺失导致种子粘液质产生和柱状层形成缺陷。该文章被JXB遴选为当期Insight paper，作者Saez-Aguayo和Largo-Gosen在题为“ Rhamnogalacturonan-I forms mucilage: behind its simplicity, a cutting-edge organization ”的论文（Journal of Experimental Botany 73, 11：3299–3303）中高度评价这部分工作对RGI参与的种皮粘液的调控作用。
团队先前发现KNAT7正调控半纤维素木聚糖的合成（He et al., Journal of Integrative Plant Biology, 2018, 60, 514-528. (Cover Story)）; KNAT3 和 KNAT7 功能缺失导致茎秆产生不规则导管、束间纤维壁厚度降低、次生细胞壁成分发生改变； knat3knat7 双突变体S/G型木质素比例降低，其中KNAT3通过与NST1/2相互作用定向调控木质素单体的合成（Qin et al., Journal of Experimental Botany, 2020, 71: 5469-5483）。在此基础上进一步研究了 KNAT3 和 KNAT7 功能缺失对种皮粘液的影响。粘液质为特化细胞壁， knat7 突变体粘液质产生缺陷，研究进一步发现KNAT3和KNAT7在拟南芥种子早期发育阶段的粘液质产生调控中发挥重要作用。与野生型相比， knat3 单突表型正常， knat7 的粘液质厚度仅受到轻微干扰，而 knat3knat7 双突则表现出严重的种子粘液质缺陷和柱状层塌陷。多糖和单糖分析表明，该突变体粘附和可溶性粘液质中的RG-I含量及其生物合成底物GalA和Rha均降低。比较转录组分析表明，KNAT3和KNAT7可能在RG-I代谢调控中发挥冗余功能。进一步实验发现，KNAT3和KNAT7通过激活 MUM4 （ MUCILAGE-MODIFIED4 ）表达参与RG-I生物合成的调控。
华南农业大学博士生秦文其，北京大学博士生王宁为Molecular Plant论文的共同第一作者。北京大学秦跟基教授和华南农业大学吴蔼民教授为论文的共同通讯作者；课题组已毕业硕士研究生陈嘉俊是Plant Physiology论文的第一作者，南开大学门素珍教授等参与了部分研究工作；博士后张媛园和已毕业硕士研究生殷琦是Journal of Experimental Botany论文的共同第一作者，本校吴鸿教授和青岛农业大学周功克教授团队等参与了部分研究工作。研究得到国家自然科学基金等项目的支持。
文图/林学与风景园林学院