Plant Cell | 华南师范大学张盛春课题组揭示高温胁迫下种子成熟和脂肪酸合成的调控新机制

种子成熟是高等植物胚后发育和作物产量形成的关键阶段，其积累的贮藏物质（如蛋白质、油脂和淀粉）为全球人类提供了超过半数的膳食营养，并成为工业生产中重要的绿色可再生碳资源。其中，油脂（三酰甘油）作为种子中能量密度最高的贮藏物质，通过脂肪酸生物合成途径产生，不仅为种子的活力、萌发及幼苗生长提供能量，也是动物营养与生物能源的核心来源。然而，随着全球气候变暖的加剧，高温胁迫已成为抑制种子成熟进程和贮藏物质积累的关键环境因子，直接威胁到粮食安全和生物能源的供给。尽管植物依赖种子成熟过程来应对环境胁迫以保障繁衍，但植物如何响应高温胁迫以维持种子成熟和贮藏物质积累的机制仍不清楚，亟待深入解析。脂肪酸生物合成基因的表达主要受转录因子WRINKLED1（WRI1）调控，但其在高温胁迫响应中的功能尚未明确。因此，解析高温胁迫下种子成熟和脂肪酸合成的调控机制，对于应对气候变化、保障粮食安全具有极为重要的意义。

2025年4月17日，华南师范大学生命科学学院张盛春课题组在国际知名学术期刊The Plant Cell发表题为SIZ1-mediated SUMOylation stabilizes WRI1 to safeguard seed filling and fatty acid biosynthesis at high temperatures的研究论文，揭示了在高温胁迫下，E3 SUMO连接酶SIZ1通过SUMO化修饰转录因子WRINKLED1（WRI1），稳定其蛋白表达，从而保障种子成熟和脂肪酸合成的新机制。

图1.The Plant Cell在线发表文章

该研究发现，高温胁迫严重阻碍种子成熟，降低种子质量。通过遗传和生化分析，研究人员发现SIZ1与WRI1在种子成熟过程中共表达，并且过量表达这两个基因均可增强高温胁迫下的种子成熟和脂肪酸合成。研究进一步揭示，SIZ1通过促进WRI1在赖氨酸257（Lys-257）和赖氨酸266（Lys-266）位点的SUMO化修饰，抑制其与CULLIN3型泛素E3连接酶接头蛋白BTB/POZMATH（BPM）的相互作用，从而阻止WRI1的泛素化和降解。突变这些SUMO化位点会加速WRI1降解，削弱其在高温胁迫下种子成熟中的功能。此外，高温胁迫诱导SIZ1上调表达，同时降低WRI1蛋白水平，SIZ1介导的SUMO化作用能够缓解高温胁迫引起的WRI1不稳定性。

图2.高温胁迫下WRI1的SUMO化修饰调控种子成熟和脂肪酸合成的工作模型

综上所述，该研究不仅揭示了SIZ1在高温胁迫下通过SUMO化修饰WRI1来调控种子成熟和脂肪酸合成的分子机制，还为培育耐高温胁迫的作物品种提供了重要的遗传资源和理论基础。通过增强SIZ1的功能或调节其与WRI1的相互作用，有望提高作物在高温环境下的种子质量和产量，为应对全球气候变化提供有力的科技支持。

在植物响应温度信号调控种子成熟的过程中，张盛春课题组还取得了另一项重要成果。2025年4月14日，该课题组在国际知名学术期刊Plant Physiology发表题为PIF4 and PIF5 interact with WRI1 to modulate fatty acid biosynthesis during seed maturation in Arabidopsis的研究论文，首次揭示了温度感受器下游的核心转录因子PIF4和PIF5在种子成熟和脂肪酸合成中的关键作用，为作物改良提供了新见解。

图3.Plant Physiology在线发表文章

研究团队发现温度感受器下游的核心转录因子PIF4和PIF5能与WRI1直接互作。进一步的研究发现PIF4和PIF5作为转录共激活因子，与WRI1结合并增强其对脂肪酸合成相关基因的转录激活能力，进而促进脂肪酸的积累。该研究不仅揭示了PIF4和PIF5在植物种子成熟期脂肪酸生物合成中的新功能，还为理解植物种子油积累的调控机制提供了新的视角。通过解析PIF4/5与WRI1的相互作用网络，为未来解析高温胁迫下种子成熟的动态调控提供了理论依据，也为培育耐高温且高产的作物品种提供了极具潜力的靶点。

图4. PIF4/5调控种子成熟和脂肪酸合成的工作模型

温度感受器下游的核心转录因子PIF4和PIF5与WRI1的互作增强了脂肪酸合成相关基因的转录激活能力，而SIZ1介导的SUMO化修饰则稳定了WRI1蛋白，使其在高温胁迫下仍能发挥调控脂肪酸合成的作用。这些发现不仅丰富了我们对植物种子成熟和脂肪酸合成调控网络的认识，更为应对气候变化、保障粮食安全和生物能源供给提供了重要的理论基础和潜在的应用靶点。通过深入解析这些分子机制，未来有望开发出能够提高作物耐热性和种子油含量的新品种，为全球粮食安全和可持续发展做出贡献。

华南师范大学生命科学学院副研究员黄瑞华、在读博士生文梦瑞、冯博瑾和广东省农科院吴平治助理研究员为The Plant Cell论文的共同第一作者，张盛春教授为通讯作者。华南师范大学生命科学学院阳成伟教授、彭长连教授以及李洪清教授为该研究提供了重要帮助和支持。已毕业的硕士生廖慧梅、在读博士生冯博瑾、文梦瑞和华南师范大学生命科学学院特聘副研究员杜昶为Plant Physiology的共同第一作者。华南师范大学生命科学学院副研究员黄瑞华和张盛春教授为通讯作者。这两项研究工作得到了国家自然科学基金和广东省基础与应用基础研究基金等项目的资助。

论文链接：

The Plant Cell：

https://doi.org/10.1093/plcell/koaf085

Plant Physiology：

https://doi.org/10.1093/plphys/kiaf141