光敏色素B通过稳定KNOX转录因子BP/KNAT1抑制ABA生物合成促进拟南芥种子萌发的分子机制

本研究揭示了光敏色素B(phyB)通过稳定KNOX家族转录因子BP/KNAT1抑制ABA生物合成基因NCED6/9表达的新机制。研究人员发现BP通过增加靶基因位点H3K27me3修饰水平抑制ABA合成，phyB则通过直接互作减少BP的泛素化降解。该研究阐明了phyB-BP-NCED6/9信号级联在光调控种子萌发中的关键作用，为作物萌发调控提供了新靶点。

　　

种子萌发是植物生命周期的关键起始阶段，光照是调控这一过程最重要的环境因素之一。在拟南芥中，红光/远红光受体光敏色素B(phytochrome B, phyB)在光诱导的种子萌发过程中起主导作用，主要通过调控赤霉素(GA)和脱落酸(ABA)的代谢平衡来实现。然而，phyB下游具体的信号转导机制，特别是如何精确调控ABA生物合成的分子路径，仍然存在许多未解之谜。

ABA作为种子萌发的主要抑制因子，其生物合成关键酶9-顺式-环氧类胡萝卜素双加氧酶(NCEDs)的调控机制备受关注。虽然已知phyB能抑制NCED6和NCED9的表达，但这一过程涉及的具体转录因子及其作用方式尚不清楚。与此同时，KNOTTED1-like同源盒(KNOX)家族转录因子BREVIPEDICELLUS(BP/KNAT1)在植物发育多个过程中发挥重要作用，但其是否参与光调控的种子萌发过程从未被报道。

Dachuan Gu等研究人员在《Plant Communications》发表的研究填补了这一空白。他们综合运用分子遗传学、生物化学和组学分析等方法，系统阐明了BP在phyB介导的光信号转导中的关键作用。研究团队首先通过表型分析发现bp突变体在phyB激活条件下萌发率显著降低，而过表达BP能部分恢复phyB突变体的萌发缺陷，表明BP位于phyB信号通路下游。随后的蛋白互作实验证实phyB与BP直接相互作用，并通过减少BP的泛素化修饰来稳定其蛋白水平。全基因组转录组分析揭示BP和phyB共同调控ABA代谢、种子休眠和细胞壁组织等相关基因的表达。进一步机制研究发现BP直接结合ABA生物合成基因NCED6和NCED9的启动子区域，通过增加抑制性组蛋白标记H3K27me3的沉积来抑制其表达。遗传分析表明NCED6/9在BP调控的种子萌发过程中具有上位性效应。

研究采用的关键技术包括：phyB依赖性种子萌发实验系统；酵母双杂交和荧光互补实验验证蛋白互作；免疫共沉淀分析蛋白修饰；RNA-seq转录组分析；染色质免疫沉淀(ChIP)检测组蛋白修饰；双荧光素酶报告系统验证转录调控；LC-MS/MS定量ABA含量等。

研究结果部分：

"BP是phyB依赖性种子萌发的正调控因子"：通过系统表型分析发现bp突变体在phyB激活条件下萌发率显著降低，遗传互补实验证实这一表型确由BP缺失引起。BP在根和茎中高表达，在种子中也具有重要功能。

"BP在遗传学上位于phyB下游"：构建35S:BP-GUS phyB-9双突变体，发现过表达BP能部分恢复phyB突变体的萌发缺陷，表明BP作用于phyB信号通路下游。

"PhyB与BP在体外和体内互作"：酵母双杂交、荧光互补和免疫共沉淀实验证实phyB通过其N端与BP直接相互作用，且在phyB激活条件下互作更强。

"PhyB通过降低泛素化促进BP积累"：发现BP蛋白存在11个泛素化修饰位点，26S蛋白酶体途径介导其降解。phyB能减少BP的泛素化水平，从而增强其稳定性。

"BP参与phyB介导的转录重编程"：RNA-seq分析发现73.1%的BP调控基因与phyB共调控，包括ABA生物合成和信号转导、种子休眠等相关基因。

"BP调控ABA生物合成基因NCED6和NCED9的表达"：BP直接结合NCED6/9基因的TGAC顺式元件，通过增加H3K27me3修饰水平抑制其表达，从而降低种子内ABA含量。

"BP与NCED6/9的遗传学分析"：构建多重突变体证实NCED6/9在BP调控通路中具有上位性，而BP与已知的萌发抑制因子PIF1可能存在交叉调控。

这项研究首次揭示了phyB-BP-NCED6/9信号级联在光调控种子萌发中的核心作用，阐明了KNOX转录因子通过表观遗传机制调控激素代谢的新功能。研究发现phyB不同于其典型的作用模式（通过降解PIFs等负调控因子），而是通过稳定正调控因子BP来传递光信号。这一发现拓展了我们对光受体信号转导多样性的认识，为作物品种改良中种子萌发特性的调控提供了新的分子靶点。特别是BP通过组蛋白修饰精细调控ABA生物合成的机制，为理解表观遗传如何整合环境信号和激素调控提供了新视角。该研究不仅具有重要的理论意义，也为农业生产中种子萌发率的提高提供了潜在的应用价值。