種子發育早期為什麼要控制鐵的裝載？鄭紹建團隊揭示了其中的奧秘

中國生物技術網

中國科學院微生物研究所

種子鐵是植物幼苗和動物鐵營養的主要來源，也是人類膳食鐵的重要來源。植物母體在結實過程中將鐵運送進入種子加以儲存，然而過量的鐵又會對細胞產生毒害。已有的研究發現，種子發育早期鐵的裝載受到限制

1

，

然而植物是如何調控早期種子鐵的裝載，以及這一過程的生物學意義，至今仍然不清楚。

浙江大學

鄭紹建教授團隊最新的研究成果很好地回答了上述問題，相關研究以

為題發表了。該研究發現，擬南芥轉錄因子INO

（INNER NO OUTER）

通過調控

（）

的表達以限制種子鐵的過量裝載，保護種子發育早期免受ROS的傷害進而保障植物的正常繁育。

該研究首先發現，擬南芥基因的兩個knockdown T-DNA插入突變體其種子鐵含量顯著提高並具有明顯的耐缺鐵表型，而過表達株系種子鐵含量則比野生型顯著減少。進一步研究發現，主要在種子發育早期的外株被及種皮中特異性表達，並且對種子鐵含量的調控具有母體效應。通過對公共轉錄組數據庫的挖掘分析，研究人員找到了潛在受INO調控的下遊基因，其編碼一個鐵錳轉運蛋白

2

。研究人員分別從轉錄和蛋白水平上證明了NRAMP1在種子發育早期受到轉錄因子INO的抑制，並證明了INO與啟動子的直接結合。同時，研究人員發現 雙突變體能完全回複單突變體種子鐵含量多的表型，從遺傳學上證明了兩者的上下遊關系。最後，研究人員發現，突變體種子具有較低的結實率，這種現象在高鐵供給的條件下更為嚴重。進一步發現，的種子敗育主要緣於胚胎發育時期鐵的過度累積所致，鐵的過度裝載導致ROS的大量累積從而造成胚細胞死亡，而這些均可以被突變所抑制。

綜上所述，該研究闡明了種子發育早期鐵裝載受到限制的分子機制，並且揭示了該過程的生物學意義。

值得一提的是，該鄭紹建團隊在2020年報道了種子發育中後期鐵累積的調控機制

3

。綜合兩項研究得出，在擬南芥種子發育早期，INO通過在種皮中直接調控鐵轉運蛋白基因的表達來限制鐵的過量裝載，從而大幅減少由於鐵過量累積所引起的胚細胞氧化損傷，進而保護種子胚胎發育的順利進行；而在種子發育中後期，的表達明顯降低，同時莢果中乙烯的合成顯著提高。乙烯含量的增加，促使乙烯信號核心調控因子EIN3的大量累積，進而使EIN3下遊靶標基因的表達明顯提高。轉錄因子ERF95進一步直接調控種子鐵蛋白基因FER1的表達，從而協助更多的鐵裝載入胚細胞的液泡中進行存儲。

植物種子鐵累積的調控機制

浙江大學生命科學學院博士研究生

孫鸝為該論文的第一作者，浙江大學生命科學學院

丁忠傑研究員和

鄭紹建教授為該論文通訊作者，牛津大學的

Nicholas Harberd院士也參與了該研究。研究得到國家重點研發計劃、浙江省自然科學基金等項目的資助。

參考文獻

1 Ravet, K., B. Touraine, S.A. Kim, S.A., Cellier, F., Thomine, S., Guerinot, M.L., Briat, J. and Gaymard, F. (2009). Post-translational regulation of AtFER2 ferritin in response to intracellular iron trafficking during fruit development in Arabidopsis. Molecular Plant 2: 1095-1106.

2 Castaings, L., Caquot, A., Loubet, S. and Curie, C. (2016) The high-affinity metal transporters NRAMP1 and IRT1 team up to take up iron under sufficient metal provision. Scientific Reports 6: 37222.

3 Sun, Y., Li, J.Q., Yan, J.Y., Yuan, J.J., Li, G.X., Wu, Y.R., Xu, J.M., Huang, R.F., Harberd, N.P., Ding, Z.J. and Zheng, S.J. (2020). Ethylene promotes seed iron storage during Arabidopsis seed maturation via ERF95 transcription factor. J Integr Plant Biology, 62: 1193-1212.

論文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1674205221002173

來源：BioArt植物