棉花油菜育种团队在PANS发表论文 揭示棉花线粒体依赖温度调控种子萌发的分子机制

发布者:陶然发布时间:2019-02-20浏览次数:37

种子从休眠到萌发的过程,是线粒体大量合成和恢复活性的过程。同时种子在萌发过程中,除受到自身活力的影响外,还要对抗种皮和胚乳膜的物理阻力。种皮通常在种子吸胀后自然破裂,而直接包裹在胚外层的胚乳膜就需要细胞内源的信号分子介导其弱化,活性氧(reactive oxygen speciesROS)就是其中的重要信号分子之一,在萌发的种子中,活性氧主要来源于线粒体。一定温度范围内,相对温暖的环境可以让种子的萌发速度加快,也就是活性线粒体和内源ROS的产生都会受到环境温度的调节。那么萌发中的种子如何感受温度变化,同时线粒体如何介导ROS产生还是鲜有报道的。

棉花油菜育种团队张天真教授等研究发现了一个在种子萌发时期优势表达的线粒体定位的小分子热激蛋白GhHSP24.7。当抑制GhHSP24.7表达的时候,种子的萌发速度减缓,即使是在相对高温的条件下,也是萌发缓慢,仿佛种子一直处于低温环境。相反的,GhHSP24.7的活跃表达可以让棉花种子迅速萌发,在相对低温的条件下也可以迅速完成,仿佛一直处于温暖条件。经检验,这组实验中,种子萌发速度的差异并不是胚的活力差异造成的,而是胚乳膜的强度(膜穿刺力,puncture force)差异,也就是说GhHSP24.7通过对温度的感受,改变了束缚种子萌发的物理力量。

研究发现,GhHSP24.7可以与线粒体电子传递链组份细胞色素C/C1 (CytC/C1)成熟过程的一个重要蛋白GhCcmFC相结合,抑制GhCcmF/GhCCMH复合体的形成,导致成熟的CytC/C1合成降低,造成电子传递过程受阻,传递受阻的电子则会与游离的氧分子结合产生ROSGhCcmF/GhCCMH复合体的功能是将血红素heme传递给前体CytC/C1,形成成熟的CytC/C1

GhHSP24.7的表达对温度的变化非常敏感,因此作为一个分子伴侣(chaperon),就可以在电子传递链上通过与他的客户蛋白(client proteinCcmFC形成一个感受温度精细变化的开关(switch)。一旦湿度和温度条件适合,呼吸作用会随着线粒体的大量复制变得非常活跃。而GhHSP24.7也相应的活跃起来,通过阻断GhCcmF/GhCCMH复合物的形成来干扰电子传递过程,产生ROS,来清除种子休眠过程中产生的蛋白质碎片等。产生的ROS也可以加速瓦解胚乳膜,协助胚根突破种子自身的限制,完成萌发。

该研究结果以“Mitochondrial small heat shock protein mediates seed germination via thermal sensing”为题在国际知名学术期刊PNAS上发表。博士后马卫和关雪莹教授为论文共同第一作者,张天真教授为通讯作者。