Nature Plants | 张大兵团队揭示大麦花序发育响应高温环境的分子机制

责编 | 王一

环境温度影响植物器官的形态发育和发生，植物在进化过程中获得了一些列的调控机制来适应外界温度的变化。 高等植物具有多样的花序构型，从单生花到含有多分枝和花朵的复杂花序。 在禾本科作物中，花序形态明显分为两类： 1）分枝花序，如玉米和水稻； 2）无分枝花序，如小麦和大麦等。 在禾本科花序分生组织发育过程中，起始分枝、小穗和花分生组织的数量以及活力决定了花序结构的形态。 值得注意的是，禾本科物种的花序从分枝到无分枝的演化过程往往伴随着物种最适生长温度的降低，分枝花序作物玉米和水稻的平均生长温度要远高于无分枝花序的麦类作物。 因此，禾本科作物花序分枝的差异可能与温度环境密切相关。

MADS-box转录因子是序列较为保守的一类蛋白家族，通过结合CArG [CC(A/T)6GG] 元件调控基因表达，主要参与花序分生组织属性决定和花器官发育等过程，在多种植物中已经证实了部分该家族基因对穗型分化和产量具有重要的调节作用。此外，MADS-box蛋白SEPALLATA亚家族在高温条件下对CArG靶元件的结合能力出现增强现象，但是这种结合是否会影响下游基因的转录活性尚不清楚。

2021年6月28日，阿德莱德大学/上海交通大学张大兵教授研究团队在Nature Plants发表了题为MADS1 maintains barley spike morphology at high ambient temperatures的研究论文。该研究发现了保守的MADS-box蛋白家族成员MADS1在高温环境下维持大麦花序发育稳定性的新功能，揭示了外界环境通过遗传因子和激素信号影响花序形态建成的机制。

该研究首先利用优化的单子叶CRISPR/Cas9系统，对大麦基因组中的三个SEPALLATA同源基因 （MADS1, MADS5和MADS34） 进行基因编辑，得到了各自的单突变体和相应的双突变体。与水稻和拟南芥同源基因的功能不同，除了突变MADS1基因会导致麦芒变短以外，这三个大麦的SEPALLATA基因并不影响花序和花器官的发育。但是在升高温度环境后，mads1, mads1/5, mads1/34突变体花序均出现了明显的额外分枝花序（EI, ectopic inflorescence），并且在分枝上着生多个小穗。生长温度越高，分枝的数量增加越明显，然而mads5和mads34突变体并没有这种表型。这一结果说明，MADS1在高温条件下抑制花序分枝，维持花序结构稳定性，而在mads1突变体中，高温打破这一限制，实现从无分枝到分枝的花序结构转化。

Dosage-dependent high ambient temperatures induce ectopic organs (ESs and EIs) in hvm1 spikes but not in WT (GP) spikes.

研究人员通过表型观察发现，在高温环境下，mads1突变体的花序分生组织发育属性发生改变，包括花分生组织向花序分生组织的转变，以及额外花序分生组织的发生等。进一步的细胞学观察发现，这些属性的改变与异常的细胞分裂活动相关联，突变体中活跃的额外细胞增生和分化导致了新器官的发生，暗示了在高温条件下MADS1抑制花序分生组织细胞分裂的活性。然而MADS1自身在mRNA水平和蛋白水平的表达均并不受温度的影响，这说明MADS1蛋白可能通过调控下游基因的表达来参与温度响应。

不同温度处理下的全基因转录组学分析发现，大多参与花序发育、生殖发育和激素信号的关键基因只有在高温条件下才会受到MADS1的调节。体内和体外的报告基因实验证实，MADS1确实在高温环境下对含有CArG元件具有更高的激活能力。

进一步在转录组学中发现，参与细胞分裂素信号的正响应元件在mads1突变体中都上升表达，而负响应元件却下调表达。这暗示了高温条件下，mads1突变体中的细胞分裂素信号可能被过量激活。随后研究人员通过对mads1突变体施加外源细胞分裂素处理，在正常生长温度下诱导出多花序分枝，重现了mads1突变体在高温条件下的表型。通过细胞分裂素marker lines的组织细胞观察和细胞分裂素代谢物的测定，证实了高温导致mads1突变体中增强的细胞分裂素水平。

为了探索MADS1调控温度响应与细胞分裂素信号的分子机制，研究人员鉴定到了一个MADS1的下游靶基因，CKX3(CYTOKININ OXIDASE/DEHYDROGENASE 3)，该基因编码细胞分裂素氧化酶，其启动子的CArG元件可以被MADS1直接结合，在高温环境下转录活性更强。该CKX3基因的表达受温度诱导，并依赖于MADS1的上游调控作用。研究人员再次利用CRISPR/Cas9构建了ckx3突变体，该突变体的花序分生组织在高温条件下重现了分枝的表型，由此证明了MADS1-CKX3这一通路在高温条件下控制大麦花序发育稳定性。

Proposed model of HvMADS1-mediated spike determinacy maintenance at high temperatures.

综上所述，该研究系统地证实了保守的MADS-Box蛋白 （MADS1） 在调控大麦花序发育与温度环境响应中的重要作用，揭示了外界环境通过遗传因子和激素信号影响花序形态建成的机制。该研究拓展了经典MADS蛋白的新功能，为禾本科作物花序发育多样性与温度适应性之间的关联提供新的视角，也为全球气候变暖趋势下，作物穗型的分子设计提供新思路。

澳大利亚阿德莱德大学的李刚博士为第一作者，阿德莱德大学/上海交通大学张大兵教授与李刚博士为共同通讯作者。澳大利亚阿德莱德大学Matthew R. Tucker副教授，Rachel A. Burton教授以及英国James Hutton Institute的Robbie Waugh教授也参与了该项工作。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41477-021-00957-3