Plant Journal | 南京林业大学陈金慧课题组揭示小肽激素PSK促进杉木体胚发生效率的机制

责编 | 王一

体细胞胚胎发生（somatic embryogenesis，SE） 是植物的体细胞在特定条件下，不经过性细胞融合而通过类似于合子胚发生的方式发育成完整植株的离体再生途径。这一技术方法在植物尤其是林木中被广泛用于基础生物学研究和良种离体快繁。杉木，作为我国人工速生用材林中主要树种之一，人工林面积和蓄积量分别占全国人工乔木林的20%和25%。早在2017年，来自南京林业大学和北京林业大学的两个团队同时报道了杉木的体胚发生体系 （Zhou et al., 2017, Hu et al., 2017） ，但存在强烈的基因型依赖性，限制了这一技术在这一重要用材树种遗传改良、种质创新和良种繁育等方面的应用。

图1. 杉木原胚团（PEM）诱导产生体细胞胚的发育过程

近日，南京林业大学林学院陈金慧教授课题组在国际植物学领域著名期刊The Plant Journal在线发表了题为A plant peptide hormone phytosulfokine promotes somatic embryogenesis by maintaining redox homeostasis in Cunninghamia lanceolata的研究论文，揭示了一种由植物小肽激素PSK介导的植物氧化还原内稳态调控，能够促进杉木体胚发生效率和克服基因型依赖性。

课题组在前期建立的杉木体胚发生及植株再生体系基础上 （Zhou et al., 2017） ，通过在体胚诱导培养基上添加植物小肽激素PSK，发现原本能够体胚发生的基因型在体胚诱导的周期和效率上都得到了极大的提升。惊喜的是，原本对于体胚诱导顽拗的基因型，在PSK处理条件下，成功进行了体胚发生和植株再生。为了进一步明确PSK的作用窗口，通过不定时往体胚诱导培养基汇中添加或者去除PSK，发现PSK介导的体胚发生促进需要在体胚诱导早期进行为期数天的PSK处理。

图2. PSK促进杉木的体胚发生效率以及克服基因型依赖性限制

此外，杉木原胚团 （proembryogenic mass，PEM） 在体胚诱导培养基上处理数天容易发生褐化，但是PSK处理能够有效抑制这一褐化过程。为了揭示PSK在杉木体胚发生过程中的作用，作者进行了有无PSK处理的杉木体胚诱导时间序列比较转录组分析。结果发现，在体胚诱导3-7天时，相比于对照，PSK处理明显抑制了ROS生成酶PRXs的表达水平，这也与这一时期对照中观察到的PEM褐化表型相符。

图3. 杉木在有无PSK处理条件下的体胚诱导及时序转录组取样

图4. PSK处理介导的杉木体胚发生过程中ROS生成和清除酶表达波动

同时，作者通过对WOX基因家族的鉴定和表达定量分析，发现WOX3和WOX5在两种条件下体胚诱导15天之前均处在较低的表达水平，但是在PSK处理条件下30天和40天表达陡然升高，相反在对照条件下仍保持在之前的水平，这与这一时期PSK处理条件下已明显观察到体胚的发育和成熟符合。有趣的是，在体胚诱导早期，共鉴定到5个WOX2基因的转录本，其中4个在有无PSK处理之间呈现出显著差异，PSK处理明显激活了WOX2在体胚诱导早期的表达。鉴于WOX2基因在植物体胚发生中的重要作用 （Wang et al., 2020） ，这很有可能与PSK介导的杉木体胚发生促进有关。

图5. PSK处理介导的杉木体胚发生过程中WOX基因家族表达波动

接着，作者通过对杉木体胚发生过程的DCF和DAB染色以及H 2 O 2 含量测定，发现确实PSK抑制了杉木体胚诱导时的ROS爆发。此外，外施H2O2处理能够明显降低杉木的体胚发生效率，而同时外施PSK则可以明显缓解H2O2对杉木体胚发生的负面影响。另外，通过活性氧清除剂DMTU的添加，确实可以增加杉木的体胚发生效率，但是效果不如PSK好。同时，DMTU处理并不能够帮助顽拗PEM从头建立体胚发生。而且，DMTU和PSK一同处理，可以获得比任一单独处理更加好的结果。因此，PSK促进体胚发生可能是部分通过对ROS爆发的抑制，仍存在其它潜在未知的调控途径。

图6. PSK部分通过降低H2O2含量促进杉木体胚发生

最后，通过对杉木PSK编码基因ClPSK的克隆和在拟南芥中的异源过表达，发现其确实能够增强拟南芥的体胚发生，说明PSK介导的体胚发生促进在陆地植物中具有保守性。同时，通过对拟南芥幼苗的H2O2处理，发现35S:ClPSK株系对于H2O2造成的组织损伤具有一定程度的抗性，进一步揭示了PSK在维持植物氧化还原内稳态中的作用。

图7. 异源过表达ClPSK促进拟南芥体胚发生及H2O2胁迫抗性

南京林业大学林学院青年教师郝兆东博士和风景园林学院青年教师吴华博士是论文共同第一作者，南京林业大学林学院陈金慧教授和施季森教授是论文的共同通讯作者。该研究得到了福建省种业创新与产业化工程项目、福建省属公益类科研院所基本科研专项、国家自然科学基金、江苏省自然科学青年基金和江苏高校优势学科建设工程专项的联合资助。

参考文献：

Hao Z., Wu H., Zheng R., et al. A plant peptide hormone phytosulfokine promotes somatic embryogenesis by maintaining redox homeostasis in Cunninghamia lanceolata. The Plant Journal, 2022. DOI: https://doi.org/10.1111/tpj.16077

Zhou X., Zheng R., Liu G., et al. 2017 Desiccation treatment and endogenous IAA levels are key factors influencing high frequency somatic embryogenesis in Cunninghamia lanceolata (Lamb.) Hook. Frontiers in plant science, 8, 2054. DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2017.02054

Hu R., Sun Y., Wu B., et al. 2017 Somatic embryogenesis of immature Cunninghamia lanceolata (Lamb.) hook zygotic embryos. Scientific reports, 7 (1), 1-14. DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-017-00156-1

Wang F., Shang G., Wu L., et al. 2020 Chromatin accessibility dynamics and a hierarchical transcriptional regulatory network structure for plant somatic embryogenesis. Developmental Cell, 54 (6), 742-757. e748. DOI: https://doi.org/10.1016/j.devcel.2020.07.003

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/tpj.16077