植物所刘永秀研究组揭示成花素基因FT促进拟南芥种子休眠的调控机制

高温潮湿通常会诱发小麦和水稻等谷类作物在收获前发芽，进而导致产量下降。种子休眠有利于防止收获前农作物穗发芽和利于作物种子的长期储存。因此，充分了解种子休眠的分子调控机制将有助于提高作物生产力。脱落酸（ABA）和赤霉素（GA）是调节种子休眠的主要植物激素，ABA对于种子休眠的诱导和维持至关重要，而GA含量的增加可打破种子休眠，促进种子萌发。在农业生产中，最佳的育种方案是对某一特性直接改变而不影响植物生长发育的其他方面，因此，组织特异性启动子是较有优势的选择。

近期研究发现，一些开花途径中的核心调控因子也与种子休眠相关。FLOWERING LOCUS T（FT）编码蛋白产物是可以长距离转运的成花激素，是植物成花转变过程中的关键调控因子，与其蛋白序列高度相似的TERMINAL FLOWER1（TFL1）在开花时间调控方面起着与之相反的作用。

2021年5月26日，The Plant Journal在线发表了中国科学院植物研究所/植物分子生理学重点实验室刘永秀研究员团队题为“Ectopic expression of the Arabidopsis florigen gene FLOWERING LOCUS T in seeds enhances seed dormancy via the GA and DOG1 pathways”的研究论文。该研究发现FT和TFL1在种子中的异位表达通过影响GA和DOG1途径来促进休眠。

为特异性研究多效性基因在种子休眠中的作用，本研究克隆并构建了种子特异性载体12S-pLEELA，其中的12S启动子来自编码12S贮藏蛋白的At4g28520基因。p12S::FT转基因株系的种子休眠状态表现出不同程度的增强，每株系的休眠程度与种子中FT的相对表达水平有关，表明FT以剂量依赖的方式促进种子休眠。萌发检测结果表明，p12S::FT株系种子休眠的增强并不是由于开花时间的不同造成的。种子活力及低温萌发检测表明，p12S::FT转基因株系的较低萌发率是由种子休眠的增强所致，而不是由于种子活力的降低（图1）。

图1. Col和p12S::FT转基因株系具有类似的种子活力

基于已有研究，对FT第85位氨基酸进行定点突变（Tyr-to-His）并构建了p12S::FT(Y85H)转基因株系，结果发现不同株系的休眠程度与种子中FT(Y85H)的表达水平相关。与p12S::FT-2相比，p12S::FT(Y85H)-12表现出类似的表达水平，但休眠状态明显减弱。此外，p12S::FT(Y85H)-12株系对GA生物合成抑制剂多效唑（PAC）的敏感性响应显著低于p12S::FT-2。表明FT第85位氨基酸突变削弱了FT对种子休眠的调控，但不会使该功能消失。

萌发检测显示，p12S::TFL1株系同样表现出不同程度的休眠增强现象，且与其表达水平相对应。另外发现，TFL1需要更高的表达水平来达到与FT相似的休眠状态。表明TFL1同样以剂量依赖性方式促进种子休眠，但效率明显低于FT。

为检测GA和ABA是否参与FT介导种子休眠和萌发，外源添加PAC和ABA处理发现，FT和TFL1转基因株系的种子萌发仅对PAC表现出敏感性。p12S::FT株系的种子休眠可完全由GA4+7的添加所恢复。量化检测发现，p12S::FT株系中GA3和GA4的水平显著降低，这与GA途径中关键基因表达水平的降低相一致。以上表明FT通过抑制GA的生物合成来调控种子休眠和萌发。

遗传分析显示，GA信号负调控因子SPINDLY（SPY）在GA介导的种子萌发中对FT具有上位性效应。此外，DELAY OF GERMINATION1（DOG1）是种子休眠的重要调控因子。对其表达检测发现，DOG1在p12S::FT株系中的转录水平显著提高。对dog1-2 spy-3 p12S::FT-2的种子休眠进一步分析表明，SPY和DOG1组合在休眠调控中对FT具有上位性效应（图2），表明两者参与FT介导的种子休眠。

图2. SPY、DOG1和FT的遗传关系

总之，12S启动子驱动FT在种子中的异位表达可显著促进种子休眠，其分子调控机制包括GA和DOG1途径。已知DOG1主要在休眠诱导和维持中起作用，而GA促进种子萌发，因此，FT可能同时调控种子休眠和萌发。