Nature Commun | 山东大学周传恩课题组揭示PINNA1/MtKNOXI复合体调控蒺藜苜蓿复叶发育模式的新机制

责编 | 王一

高等植物根据叶柄上叶片的数目，可分为单叶植物和复叶植物：单叶植物是只有一片叶着生在叶轴上，复叶植物则是有多片叶以不同的排列方式着生在叶轴上。与单叶相比，复叶需要更长的初级形态建成期，以便为小叶原基的产生提供发育的时间和空间。在番茄和碎米芥等复叶物种中，Class I KNOX（KNOXI）基因家族是参与调控叶片形态多样化的一类关键转录因子，它们在叶发育初级形态建成阶段被重新激活以诱导复叶产生，并且KNOXI单个调控原件就能决定小叶数目的增多或减少。然而在蒺藜苜蓿和豌豆等豆科IRLC（inverted repeat-lacking clade）分支物种的复叶发育中，KNOXI基因并不在叶原基中表达，敲除KNOXI基因并不能引起叶片数目的减少。早期研究发现FLORICAULA（FLO）/LEAFY（LFY）调控元件可能取代了KNOXI基因在苜蓿三出复叶发育中的功能，敲除LFY同源基因SGL1后导致叶子由复叶变为单叶。因此，蒺藜苜蓿的复叶发生调控元件与绝大多数复叶植物不同，其发育机制仍存在许多未解之谜。

近日，山东大学周传恩教授课题组在Nature Communications在线发表了题为“Rewiring of a KNOXI regulatory network mediated by UFO underlies the compound leaf development in Medicago truncatula”的研究论文，揭示了PINNA1-MtKNOXI蛋白复合体通过核质转运调控蒺藜苜蓿复叶发育模式的新机制。

在本研究中，研究人员发现过表达蒺藜苜蓿KNOXI基因MtKNOX1/2/6/7均导致叶片数目增多，呈现羽状五叶模式；但同时敲除MtKNOX1/2/6/7并未改变蒺藜苜蓿的三出复叶模式，这暗示着在蒺藜苜蓿复叶发育中存在一个或多个抑制因子抑制了MtKNOXI的功能。随后，研究人员通过酵母文库筛选、BiFC和Co-IP等技术发现MtKNOX1/2/6/7与蒺藜苜蓿复叶发育关键调控因子PINNATE-LIKE PENTAFOLIATA1（PINNA1）存在蛋白相互作用关系。PINNAI属于BELL蛋白家族，其功能缺失会导致叶片呈现羽状五叶模式。遗传分析表明，在pinna1突变体中敲除MtKNOXI基因可以不同程度恢复其复叶模式缺陷。随后亚细胞共定位分析表明PINNA1与MtKNOXI互作形成的复合体定位在细胞质中，从而阻止MtKNOXI入核调控下游靶基因的表达。同时，原位杂交实验表明MtKNOX7在pinna1叶原基中异位表达。进一步的研究表明，花器官调控基因MtUNUSUAL FLORAL ORGANS（MtUFO）是MtKNOX7的直接靶基因：MtKNOX7入核后通过直接激活MtUFO的表达介导了蒺藜苜蓿由三出复叶模式向羽状五叶复叶模式的转变。

综上所述，该研究在蒺藜苜蓿中发现了一种双重抑制MtKNOXI功能的新途径：一方面，PINNA1可以抑制MtKNOXI在叶片原基中的表达；另一方面，PINNA1与MtKNOXI形成复合体后将MtKNOXI隔离在细胞质中，阻止MtKNOXI入核调控MtUFO的表达，从而维持蒺藜苜蓿的三出复叶模式。基于KNOXI和UFO在叶片发育中的功能，研究人员推测在复叶物种叶片形态多样性的调控中存在一个新的层面，其中保守的花发育调控因子MtUFO和叶发育调控因子MtKNOXI参与了蒺藜苜蓿羽状复叶模式的变异。

图：PINNA1-MtKNOX7复合体和MtUFO/MtKNOX7调控模块介导的蒺藜苜蓿复叶发育模式图

山东大学生命科学学院周传恩教授为本论文通讯作者，博士后卢志超、张娟娟和王洪峰为本论文共同第一作者。山东大学生命科学学院向凤宁教授和韩璐副教授也参与了本研究。该研究还得到了山东大学白明义教授以及俄克拉荷马州立大学文江祁教授和Kirankumar S. Mysore教授的支持。本项目得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和山东省自然科学基金的资助。

据悉，周传恩教授课题组利用豆科模式植物蒺藜苜蓿为材料，长期从事植物复叶发育的分子机制研究，成果先后发表在Nature Communications、PNAS、The Plant Cell、New Phytologist、Plant Physiology、Plant Journal和Journal of Integrative Plant Biology等权威期刊。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-47362-w