近日，山東大學生命科學學院周傳恩教授團隊在The Plant Cell上發(fā)表了題為TheTERMINAL FLOWER1–NODULE ROOTs–FRUITFULLcmodule orchestrates compound inflorescence development inMedicago truncatula的研究論文，系統(tǒng)揭示了蒺藜苜蓿MtNOOTs基因調控復合花序發(fā)育的功能及其分子機制，進一步完善了豆科植物復合花序發(fā)育的基因調控網(wǎng)絡，并為通過MtNOOTs介導的調控網(wǎng)絡優(yōu)化苜蓿花序結構、實現(xiàn)苜蓿高產提供了新靶點及新策略。

豆科植物具有廣泛的農業(yè)應用價值。作為豆科植物重要的農藝性狀，花序結構直接關系到種子等地上部分的生物量，因此深入解析花序發(fā)育的調控機制意義重大。依據(jù)結構特征，花序可分為有限花序和無限花序；無限花序又可進一步分為簡單花序和復合花序，大多數(shù)豆科植物屬于復合花序。蒺藜苜蓿因基因組小、自花授粉、易于遺傳轉化且突變體資源豐富等優(yōu)勢，已成為豆科植物的經典模式生物。前期研究已在蒺藜苜蓿中鑒定出多個花序分生組織的“決定因子”：例如初級花序分生組織決定因子MtTFL1，次級花序分生組織決定因子MtFULc，以及花原基決定因子MtAP1。這些因子之間相互抑制，共同維持各級花序分生組織的正常形成。然而，關于調控這些關鍵基因的上游機制，目前仍知之甚少。

在前期的工作中，本研究團隊篩選到蒺藜苜蓿中調控托葉發(fā)育的MtNOOTs基因（包含MtNOOT1和MtNOOT2兩個同源基因）。除了調控托葉發(fā)育，研究團隊發(fā)現(xiàn)MtNOOTs還深刻參與了花序結構的建構過程。表型分析顯示，MtNOOTs基因能夠抑制初級花序分生組織的活性：與野生型及單突變體相比，mtnoot1 mtnoot2雙突變體的頂端生長能力明顯增強；遺傳證據(jù)表明，MtNOOTs行使該功能依賴于MtTFL1。進一步的酵母雙雜交、BiFC及Co-IP實驗證實，MtNOOTs與MtTFL1能在蛋白水平發(fā)生直接相互作用。機制解析表明，MtNOOTs作為NBCL蛋白家族成員，通過參與形成泛素E3連接酶復合體介導底物蛋白的泛素化降解。隨后的蛋白降解與泛素化檢測實驗明確了MtNOOTs能夠通過介導MtTFL1的泛素化修飾，精準調控MtTFL1的蛋白穩(wěn)定性。

除了調控初級花序發(fā)育，研究團隊發(fā)現(xiàn) MtNOOTs 還深度參與了對次級花序的調控。野生型植株通常在一個節(jié)點處僅產生一個次級花序，但在 mtnoot1 mtnoot2 雙突變體中，一個節(jié)點處往往會異常產生兩個次級花序。遺傳與分子實驗揭示， MtNOOTs 通過在轉錄水平上抑制次級花序分生組織決定因子 MtFULc 的表達，從而抑制額外次級花序的產生。此外，初級花序頂端分生組織決定因子 MtTFL1 能夠顯著增強 MtNOOTs 對 MtFULc 的轉錄抑制作用，二者協(xié)同參與次級花序形成的嚴格管控。

圖1. MtNOOTs 調控蒺藜苜蓿復合花序發(fā)育的分子機制模式圖

山東大學生命科學學院博士后張娟娟和王瀟為共同第一作者，山東大學周傳恩教授為通訊作者。山東大學韓璐老師、張靜老師、碩士生趙佳琪，以及內蒙古草業(yè)技術創(chuàng)新中心有限公司苑峰、俄克拉荷馬州立大學Kirankumar S.Mysore教授和Jiangqi Wen教授參與了本研究相關工作。該研究得到了國家自然科學基金、草業(yè)國家技術創(chuàng)新中心重大創(chuàng)新平臺建設專項、中國博士后科學基金、山東省自然科學基金、山東省泰山學者等項目資助。

周傳恩教授課題長期從事苜蓿發(fā)育生物學研究和遺傳改良，成果先后發(fā)表在Nature Communications、PNAS、Plant Cell、Molecular Plants、New Phytologist和Journal of Integrative Plant Biology等專業(yè)期刊。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1093/plcell/koag099