拟南芥细胞分裂素响应调节因子ARR21调控种子发育的分子机制解析

来自韩国的研究人员针对细胞分裂素在种子发育中的功能未知问题，通过CRISPR/Cas9构建arr21-3（51 bp缺失）和arr21-4（2 bp插入）突变体，发现ARR21通过调控胚乳和胚胎发育使种子尺寸减小10.7%、重量降低37%，其种子特异性过表达可恢复表型，揭示了Type-B ARR转录因子调控种子大小的新机制。

　　

种子作为植物繁衍的核心载体，其发育机制关乎粮食安全与生物能源开发。这项研究聚焦拟南芥细胞分裂素信号通路中的关键转录因子——B型响应调节因子ARR21（Arabidopsis Response Regulator 21），该蛋白具有核定位信号和类似MYB的DNA结合结构域（GARP motif）。

通过荧光标记证实ARR21-sGFP定位于细胞核，表达高峰出现在发育中的种子。组织化学分析显示，授粉后6天的种子中，ARR21在角果皮、合点种皮、合点胚乳等部位活跃表达。研究团队运用CRISPR/Cas9基因编辑技术构建了两个突变体：arr21-3（51 bp框内缺失）和arr21-4（2 bp插入），发现突变体种子尺寸平均缩小10.7%，重量骤降37%。显微观察揭示突变体胚胎子叶长度和种皮细胞尺寸均显著减小。

有趣的是，在arr21-4突变体中特异性过表达ARR21可使种子长度恢复至野生型水平。机制研究表明，ARR21通过作用于合点胚乳和胚胎区域调控种子大小。这项研究不仅填补了细胞分裂素在种子发育中的功能空白，更为作物产量改良提供了新靶点——在细胞分裂素信号通路中，AHK（组氨酸激酶）→AHP（磷酸转移蛋白）→ARR的级联反应中，ARR21作为关键转录因子直接调控发育进程。

研究还发现ARR21能激活细胞分裂素合成基因IPT4和生长素响应基因IAA4/IAA5，暗示其可能协调多种激素通路。此前被认为表型不明显的arr21-1/arr21-2突变体，在新构建的基因编辑突变体中展现出显著表型，提示传统插入突变可能存在功能补偿。这些发现为理解种子大小调控网络增添了新维度，也为应对全球粮食危机提供了分子育种的新思路。