拟南芥种子休眠与萌发的翻译组与表观转录组调控机制研究——以哥伦比亚型和佛得角型为例

《Plant Molecular Biology》：Translational and epitranscriptomic regulation of seed germination in Arabidopsis thaliana genotypes with contrasting dormancy phenotypes

本研究针对拟南芥种子休眠与萌发过程中的翻译调控机制，通过对低休眠性哥伦比亚型(Col-0)和深休眠性佛得角型(Cvi-0)两种基因型的多组学分析，揭示了m6A甲基化修饰在翻译激活中的关键作用。研究人员利用多核糖体分析、RNA修饰测序和蛋白质组学技术，发现基因型特异性m6A修饰分布差异与翻译效率密切相关，为阐明种子休眠解除的分子机制提供了新见解。

　　

种子是植物生命周期中最为关键的阶段之一，它代表着从休眠状态向活跃生长的转变过程。这一过程受到环境信号和内源调控网络的精细调控，尤其是脱落酸(ABA)和赤霉素(GAs)的平衡在种子休眠与萌发中起着核心调控作用。然而，不同基因型拟南芥在种子休眠特性上存在显著差异，哥伦比亚型(Col-0)表现为低休眠性，收获后即可快速萌发，而佛得角型(Cvi-0)则具有深休眠特性，需要经过较长的后熟过程才能萌发。这种自然变异为研究种子休眠与萌发的分子机制提供了理想模型。

尽管前人对种子萌发的转录调控已有较多研究，但对于翻译水平和表观转录组层面的调控机制了解甚少。特别是m⁶A甲基化作为真核生物mRNA中最常见的修饰，其在种子休眠与萌发过程中的作用尚未得到充分探索。种子中储存的mRNA如何在长时间干燥状态下保持稳定，以及在萌发过程中如何被选择性翻译，这些科学问题亟待解答。

为了深入探究这些问题，研究人员在《Plant Molecular Biology》上发表了题为"Translational and epitranscriptomic regulation of seed germination in Arabidopsis thaliana genotypes with contrasting dormancy phenotypes"的研究论文。该研究通过整合转录组、翻译组、表观转录组和蛋白质组学分析方法，对Col-0和Cvi-0两种基因型的种子在三个关键发育阶段（刚收获、后熟3个月、吸胀48小时）进行了系统分析。

研究采用的主要技术方法包括：多核糖体分析技术用于分离单核糖体和多核糖体结合的RNA；RNA免疫共沉淀测序(m⁶A-seq)用于检测m⁶A甲基化修饰；超高效液相色谱-质谱联用技术(UHPLC-MS)用于定量分析RNA修饰核苷酸；液相色谱-串联质谱(LC-MS/MS)用于蛋白质组学分析；激素含量测定通过UPLC-MS/MS完成。所有实验均设置三次生物学重复，确保结果的可靠性。

ABA在萌发过程中下降，而GA水平在两种基因型中保持稳定

激素分析显示，ABA含量在干燥种子中较高，在后熟过程中适度下降，在吸胀种子中显著降低。DPA作为ABA的主要降解产物，其变化趋势与ABA一致。在两种基因型中，GA₂₀是含量最高的GA生物合成前体，在干燥种子中达到600 pmol/g FW，在吸胀种子中约为100 pmol/g FW。生物活性GA₄在吸胀的Cvi种子中增加约30%，而Col种子中保持稳定。这些结果与ABA/GA代谢相关基因的表达模式相吻合。

核糖体结合和单核糖体与多核糖体组分在不同种子阶段的转录谱分析显示基因型间差异

多核糖体分析表明，在干燥种子中，核糖体主要以单核糖体形式存在，多核糖体峰缺失。吸胀48小时后，非休眠的Col种子中出现多核糖体峰，而休眠的Cvi种子中仍检测不到多核糖体。转录组分析鉴定出超过10,000个基因在成熟种子中表达，其中约5,000个蛋白质在相应的单核糖体和多核糖体组分中被检测到。Col种子中多核糖体组分的蛋白质多样性在吸胀后增加，而Cvi种子中则没有明显变化。

RNA修饰和m⁶A甲基化在种子储存和萌发过程中的动态变化

RNA修饰分析显示，m¹A是干燥Col种子中的主要修饰，在后熟3个月时达到峰值。m⁶A测序显示，吸胀种子中m⁶A修饰基因数量最多，而刚收获的干燥种子中含量最低。m⁶A修饰基因的比较发现，Col和Cvi刚收获种子中仅共享两个m⁶A修饰基因，其中一个属于GRAS转录因子家族，另一个为转座子基因。

m⁶A RNA修饰的位置在Col和Cvi基因型之间存在差异

m⁶A修饰定位分析显示，Col种子中m⁶A峰主要位于起始密码子附近，而Cvi种子中m⁶A修饰集中在终止密码子附近。在Col基因型中，后熟阶段m⁶A峰频率远低于吸胀阶段，而在Cvi中，后熟阶段的m⁶A修饰频率略高于吸胀阶段。 motif分析发现，GAA和CTT串联重复序列主要出现在起始和终止密码子周围。

单核糖体和多核糖体组分在不同种子阶段的蛋白质组成和功能动态

蛋白质组学分析共鉴定出14,488个蛋白质。Col单核糖体在刚收获、后熟和吸胀种子中分别包含5,051、5,303和5,329个蛋白质，而Cvi单核糖体则分别包含4,437、5,398和4,251个蛋白质。功能富集分析显示，单核糖体组分在所有阶段均富集在翻译相关术语上，如核糖体结构成分和mRNA结合。

RNA结合和翻译调控因子

RNA结合蛋白分析发现，ECT2蛋白在Cvi和Col的所有组分中均有发现，而ECT3、ECT4和ECT10仅存在于Col中。ECT6特异性地在吸胀阶段被招募到单核糖体和多核糖体中。PAB2、PAB4和PAB8在所有阶段的所有组分中均被检测到。ALBA4蛋白在Col和Cvi基因型的单核糖体和多核糖体组分中均有发现。

研究结论表明，种子休眠与萌发受到翻译水平和表观转录组层面的精细调控。m⁶A甲基化修饰的位置分布差异与基因型特异性休眠特性密切相关，Col种子中m⁶A修饰更多位于起始密码子附近，可能促进翻译激活，而Cvi种子中m⁶A修饰集中在终止密码子周围，可能与翻译抑制相关。蛋白质组分析揭示了翻译机器重组能力是种子休眠的一个重要组成部分，特异性调控蛋白的鉴定为了解具有相似转录组和激素谱的种子表现出相反萌发表型提供了新视角。

这项研究的重要意义在于首次系统揭示了m⁶A甲基化修饰在种子休眠与萌发中的调控作用，发现了基因型特异性翻译调控机制，为理解种子休眠解除的分子基础提供了全新认识。研究结果不仅深化了对植物种子萌发机制的理解，也为农业生产中种子质量改良和萌发率提升提供了潜在靶点。多组学整合分析策略为研究其他生物过程中的翻译调控提供了方法论参考。