MADS31：调控植物胚珠发育的关键因子，开启种子发育研究新征程

为探究胚珠细胞维持自身发育程序并支持生殖细胞发育的机制，阿德莱德大学的研究人员对 MADS31 进行研究，发现它是胚珠细胞身份的关键调节因子，该成果为理解植物胚珠和种子发育提供新视角。

　　在植物的奇妙世界里，种子植物的胚珠堪称一个微观的 “小宇宙”，它混合着二倍体的体细胞组织和单倍体的配子体组织，在植物繁殖过程中扮演着至关重要的角色。其中，珠心（nucellus）作为胚珠中最为突出的体细胞组织之一，从生殖细胞的起源到受精，全程支持着生殖细胞的发育。然而，就像神秘的宝藏被层层迷雾笼罩，科学家们一直困惑于珠心细胞究竟是如何维持自身的体细胞发育程序，同时又为相邻生殖细胞的发育提供支持的。

为了揭开这层神秘的面纱，探寻其中的奥秘，阿德莱德大学的研究人员踏上了探索之旅，开展了一项聚焦于 MADS31 的研究。他们发现，MADS31 这个来自 B - sister 亚类的保守 MADS - box 转录因子，竟是调控珠心细胞身份的关键角色。这一发现意义非凡，为深入理解植物胚珠和种子发育的分子机制打开了新的窗口，相关研究成果发表在Nature Plants杂志上。

在这项研究中，研究人员运用了多种前沿技术。基因编辑技术（CRISPR/Cas9）被用于构建基因敲除模型，从而探究基因功能；RNA 测序（RNA - sequencing）技术则帮助研究人员全面分析基因表达变化，挖掘潜在的调控机制；染色质免疫沉淀 PCR（ChIP - PCR）用于确定蛋白与 DNA 的相互作用；双荧光素酶测定（Dual - luciferase assay）则验证了转录因子对基因表达的调控作用。

MADS31 在大麦珠心中优先表达

研究人员首先构建了大麦胚珠的组织特异性转录组数据集，从中筛选出在珠心多个阶段优先表达的基因，MADS31（HORVU2Hr1G098930）脱颖而出。它在珠心中表达丰富，在珠被和胚囊中表达较低。通过反转录定量聚合酶链反应（RT - qPCR）、mRNA 原位杂交以及转基因技术进一步研究发现，MADS31 在雌蕊中特异性表达，且随着胚珠发育，其转录本呈现先上升后下降的趋势。在胚珠发育早期，MADS31 在靠近原生殖细胞的珠心细胞中积累，随后逐渐扩散到包围生殖细胞的两三层珠心细胞（即内珠心），直至胚珠成熟，其表达可区分内珠心和外珠心。

mads31 突变体的内珠心和胚囊发育异常

为深入探究 MADS31 的功能，研究人员利用 CRISPR/Cas9 技术构建了大麦 mads31 突变体。结果发现，突变体的结实率显著降低，约为野生型的 40% - 50%。通过组织学切片观察发现，在胚珠发育早期（Ov2 阶段），mads31 突变体的内珠心细胞出现变形、排列紊乱的现象，细胞中去酯化果胶的积累也大幅减少。随着胚珠发育，内珠心细胞的异常愈发明显，出现过度空泡化，细胞死亡增加。到了胚珠成熟阶段（Ov10），突变体的胚囊明显变小，内部细胞结构异常，外珠心细胞相对比例增大，内珠心细胞特征改变，这些都表明 MADS31 对大麦珠心分化和模式形成至关重要，其功能缺失会影响内珠心和胚囊发育。

mads31 突变体中特定途径失调

研究人员对野生型和 mads31 突变体在多个阶段进行 RNA 测序，以探寻 MADS31 功能的分子基础。结果发现，共有 1263 个差异表达基因（DEGs），其中在 Ov3/4 和 Ov7/8 阶段，多数 DEGs 上调，这意味着 MADS31 功能缺失可能引发转录激活。基因本体（GO）富集分析显示，DEGs 涉及基因沉默、RNA 加工、应激反应和细胞死亡控制等多个过程，尤其是参与转录后调控、表观遗传调控、代谢、防御反应和细胞死亡的途径被显著激活，这表明 MADS31 在调控这些途径中发挥着重要作用。

MADS31 抑制受精后程序

通过双荧光素酶测定，研究人员证实 MADS31 在植物体内可作为转录抑制因子，能作用于含有 CArG 基序的启动子。对通常被 MADS31 抑制的 DEGs 进行分析发现，在 mads31 突变体中，许多与种子发育相关的基因在受精前的雌蕊中提前激活，这意味着 MADS31 能够抑制受精后程序相关基因的表达，维持胚珠发育的正常进程。

增加 MADS31 表达可改变珠心细胞身份

研究人员构建了过表达 MADS31 的转基因植株。结果显示，组成型过表达 MADS31 的植株生长严重受阻，无法产生花序。而在野生型背景下，增加 MADS31 表达可使成熟胚珠中具有内珠心特征的细胞比例增加，同时植株出现矮化等表型，这表明 MADS31 表达量会影响胚珠发育，可能通过调控内珠心身份发挥作用，且其表达变化可能干扰表观遗传调控途径。

MADS31 抑制种子基因 NRPD4b

在 mads31 突变体的 RNA - seq 数据中，研究人员关注到 NRPD4b 基因。它编码 RNA 聚合酶复合物 IV 和 V 的第四大亚基，在野生型大麦雌蕊中几乎检测不到，在 mads31 突变体中却大量积累。进一步研究发现，MADS31 可直接结合 NRPD4b 启动子上的 CArG 基序，抑制其转录。过表达 NRPD4b 的植株出现与 mads31 突变体相似的胚珠表型，且二者在组蛋白修饰上也存在相似变化，这表明 MADS31 通过抑制 NRPD4b 表达维持内珠心身份。

TaMADS31 在小麦中的保守功能

作为大麦的 “近亲”，小麦与大麦在雌蕊发育进程上有相似之处。研究人员对小麦进行研究，发现小麦中有三个 MADS31 的同源基因 TaMADS31A、TaMADS31B 和 TaMADS31D，它们在小麦雌蕊中均有表达。构建 TaMADS31 突变体后发现，突变体结实率降低，内珠心发育异常，胚囊出现类似大麦 mads31 突变体的缺陷，这表明 MADS31 在支持内珠心发育和维持雌性育性方面的功能在不同谷物物种间是保守的。

在讨论部分，研究人员指出，MADS31 的发现为剖析谷物胚珠和种子发育过程中不同珠心组织及其相关分子途径的作用提供了关键线索。同时，它与花药中绒毡层和雄性生殖细胞的关系存在相似之处，二者都为生殖细胞提供支持并经历精确调控的细胞死亡。此外，MADS31 对多个表观遗传活动的潜在调控作用，揭示了不同类 MADS - box 基因对表观遗传途径的精细调控是胚珠发育的重要特征。本研究不仅加深了人们对植物胚珠发育机制的理解，也为后续作物遗传改良和育种工作提供了重要的理论基础。