Plant Cell | 中国农业大学傅缨课题组揭示转录衔接蛋白ECAP调控拟南芥花药小孢子母细胞发生的分子机制

被子植物的双受精是其有性生殖的特殊方式，雌、雄性器官（雌蕊和雄蕊）作为雌、雄配子体产生的场所，其严格有序的分化和发育进程是植物完成双受精繁衍后代的重要基础。因此，探究相关复杂精细的调控机制具有重要的理论和实践意义，是发育生物学和植物科学领域的重点和热点。雄配子体（花粉）在雄蕊的花药中产生，其发育过程大致分为小孢子母细胞发生、小孢子发生、雄配子体发生等阶段。然而，目前的研究大多集中在小孢子母细胞进入减数分裂之后的时期，对于早期小孢子母细胞的发生，尤其是初期孢原细胞分裂决定体细胞与性细胞命运的分子调控机制，仍然有待深入解析。

SPOROCYTELESS（SPL）是调控早期花药发育的重要转录因子，SPL功能缺失直接影响了小孢子母细胞的形成和花药壁细胞的发育，表明其在性细胞层和体细胞层的分化过程中发挥关键作用（Yang et al., 1999; Zheng et al., 2021）。因此，SPL的表达在早期花药发育过程受到精细且严格地调控，然而，相关的分子调控机制仍然有待深入研究。

近日，中国农业大学生物学院植物抗逆高效全国重点实验室傅缨教授课题组在ThePlant Cell期刊在线发表了题为The adaptor protein ECAP, the co-repressor LEUNIG, and the transcription factor BEH3 interact and regulate microsporocyte generation in Arabidopsis的研究论文，揭示了衔接蛋白ECAP调控拟南芥小孢子母细胞发生的分子机制，为探究花药发育早期体细胞与性细胞的命运决定提供了新的思路。

该研究团队在前期工作中发现了一个新的发挥转录抑制功能的衔接蛋白ECAP在茉莉素与盐胁迫诱导的花青素合成过程中发挥重要功能（Li et al., 2020; 2022）。之后的研究发现其功能缺失突变体ecap具有明显的育性缺陷（图1），在花药发育早期部分孢原细胞进行平周分裂形成性细胞层和体细胞层的过程中分裂面方向异常（少数孢原细胞未正常形成），影响后续的细胞分裂分化，最终导致小孢子母细胞发生异常。进一步通过Pull-down、BiFC等实验证明ECAP与转录抑制蛋白LUG、转录因子BZR1家族成员（以BEH3为代表）均能相互作用，而且三者可以形成ECAP-LUG-BEH3转录激活复合体，通过调控关键基因SPL的表达，在小孢子母细胞发生过程中发挥关键作用。

图1 ECAP调控拟南芥的育性发育过程

据此提出了花药发育过程中由ECAP介导的小孢子母细胞发生工作模型（图2）：在野生型拟南芥中，转录衔接蛋白ECAP通过招募转录调控子LUG和转录因子BEH3形成转录激活复合体，通过直接或者间接招募组蛋白乙酰转移酶，调控SPL的表达，使孢原细胞正常进行第一次平周分裂以及后续体细胞层与性细胞层正常分化，进而小孢子母细胞形成并最终发育为雄配子体。而ECAP或LUG功能缺失造成SPL表达量下降，导致部分孢原细胞分裂面异常（还有少数孢原细胞未正常形成），小孢子母细胞发生及雄配子体发育异常，影响植物的育性。该研究阐释了ECAP-LUG-BEH3复合体对孢原细胞分裂分化及小孢子母细胞发生关键基因SPL的分子调控机制，为花药发育早期体细胞与性细胞的命运决定提供了新的见解。同时该研究也揭示了转录衔接蛋白ECAP能通过与不同转录调控子相互作用，以不同的方式调节基因表达，在多种植物生长发育过程中发挥重要功能。

图2 ECAP-LUG-BEH3复合体介导小孢子母细胞发生的工作模型

中国农业大学生物学院傅缨课题组博士后石磊及青年教师李长江博士为论文的共同第一作者，傅缨教授为通讯作者。河北师范大学汤文强教授也参与了这项工作。该研究得到了国家自然科学基金的资助。

参考文献：

Li, C.J., Shi, L., Wang, Y.N., Li, W., Chen, B.Q., Zhu, L., and Fu, Y. (2020). Arabidopsis ECAP is a new adaptor protein that connects JAZ repressors with the TPR2 co-repressor to suppress jasmonate-responsive anthocyanin accumulation. Mol. Plant 13:246-265.

Li, C.J., Shi, L., Li, X., Wang, Y.N., Bi, Y.J., Li, W., Ma, H.F., Chen, B.Q., Zhu, L., and Fu, Y. (2022). ECAP is a key negative regulator mediating different pathways to modulate salt stress-induced anthocyanin biosynthesis in Arabidopsis. New Phytol. 233:2216-2231

Yang, W.C., Ye, D., Xu, J., and Sundaresan, V. (1999). The SPOROCYTELESS gene of Arabidopsis is required for initiation of sporogenesis and encodes a novel nuclear protein. GENES & DEVELOPMENT 13:2108-2117.

Zheng, Y.F., Wang, D.H., Ye, S.D., Chen, W.Q., Li, G.L., Xu, Z.H., Bai, S.N., and Zhao, F. (2021). Auxin guides germ-cell specification in Arabidopsis anthers. Proc. Natl. Acad. Sci. U S A 118(22):e2101492118.

论文链接：

https://doi.org/10.1093/plcell/koae086