山东大学周传恩课题组揭示MtPIN4调控蒺藜苜蓿种子氨基酸合成和代谢的新机制

种子发育的调控是决定作物产量的关键因素。而在这一过程中，生长素和氨基酸扮演着重要的角色。在种子发育过程中，生长素在胚乳中产生，并在灌浆阶段积累。生长素的积累促进了蛋白质的合成，影响了种子的生长和发育。而种子中的氨基酸则是蛋白质的构成单位，对于种子发育和代谢过程至关重要。不同的氨基酸对生长素的作用可能存在差异，它们可能会影响生长素的活性或在信号传导中起到中介作用。因此，种子中的生长素和氨基酸之间存在着复杂的相互关系，共同调节着种子的生长发育过程。深入研究种子中生长素和氨基酸的相互作用机制，将为作物产量和质量的改良提供理论基础和科学支持。

近日，山东大学周传恩教授课题组在The Plant Journal在线发表了题为“MtPIN4 Plays Critical Roles in Amino Acid Biosynthesis and Metabolism of Seed in Medicago truncatula”的研究论文，揭示了MtPIN4通过调控种子生长素含量调控蒺藜苜蓿种子氨基酸合成和代谢的新机制。

研究人员通过对蒺藜苜蓿Tnt1逆转录转座子插入的突变体库进行正向遗传筛选，获得了一个种子较小突变体，通过分子克隆发现该突变基因编码MtPIN4蛋白，它是拟南芥PIN1的同源蛋白之一。通过分子方法、转录组学和代谢组学分析，研究人员发现mtpin4种子中生长素和氨基酸含量显著降低。在种子发育过程中，与野生型相比，mtpin4突变体中参与氨基酸生物合成和代谢的酶以及氨基酸运输基因的表达水平发生了显著变化。生长素处理结果显示，生长素可以不同程度地抑制或诱导氨基酸相关基因的表达，暗示在种子发育过程中存在氨基酸生物合成和代谢的复杂的调控网络。此外，遗传分析表明，PIN1的三个同源基因MtPIN4、MtPIN5和SLM1在蒺藜苜蓿的各种发育过程，如胚根发育，子叶分离和植株生长等方面发挥着特异性和冗余性功能。

综上所述，在蒺藜苜蓿的各种发育过程中，PIN1的三个同源基因发挥着特定和冗余的功能。在拟南芥中，pin1突变体表现出不育的特征。然而，在蒺藜苜蓿中，mtpin4突变体能够产生种子，为揭示其在氨基酸生物合成和代谢中的功能提供了机会。研究结果强调了MtPIN4在种子发育中的重要性，对调控作物种子大小的分子机制提出了的见解，并可能通过有针对性地操纵种子蛋白调节途径来提高作物质量。

图：MtPIN4、MtPIN5和SLM1在组织发育中的功能

山东大学生命科学学院周传恩教授和韩璐副教授为本论文通讯作者，博士研究生蒋洪娇为本论文独立第一作者。本项目得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金的资助。

周传恩教授课题组利用豆科模式植物蒺藜苜蓿为材料，长期从事豆科植物发育生物学研究和品质改良，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://doi.org/10.1111/tpj.16787