拟南芥MONOPTEROS剪接变体MP11ir通过调控生长素生物合成通路介导体细胞胚胎发生的新机制

《Plant Physiology》：MONOPTEROS isoform MP11ir plays a role during somatic embryogenesis in Arabidopsis thaliana

本研究聚焦植物体细胞胚胎发生（SE）过程中生长素信号通路的核心调控因子MONOPTEROS（MP/ARF5）及其剪接变体MP11ir的功能机制。研究人员通过转基因互补实验、激素处理、基因表达分析和组织定位等技术，首次揭示MP11ir通过直接调控生长素生物合成基因TAA1/TARs-YUCs的表达网络，维持内源生长素稳态，从而精确调控体细胞向胚胎细胞命运的转变。该研究发表于《Plant Physiology》，为植物再生生物学和作物遗传改良提供了重要理论依据。

　　

在植物生物技术领域，体细胞胚胎发生（Somatic Embryogenesis, SE）作为一种高效的无性繁殖方式，在作物育种和濒危物种保护中具有重要应用价值。然而，许多植物物种的体细胞胚胎发生效率极低，这成为制约其规模化应用的瓶颈。生长素（Auxin）被认为是启动体细胞胚胎发生的关键信号分子，但其作用机制尚未完全阐明。特别是核心转录因子MONOPTEROS（MP/ARF5）的调控网络及其剪接变体在体细胞胚胎发生中的功能，一直是植物发育生物学研究的焦点问题。

为揭示MP及其剪接变体MP11ir在体细胞胚胎发生中的作用机制，研究团队以模式植物拟南芥（Arabidopsis thaliana）为研究对象，系统分析了MP11ir的表达特征、功能互补效应以及对生长素生物合成通路的调控网络。研究采用了多种关键技术方法：利用转基因拟南芥株系（包括mpS319突变体、proMP:MP11ir-GFP、proXVE:△ARF5 proDR5:GFP等）进行体细胞胚胎发生诱导实验；通过RT-qPCR技术检测基因表达水平；采用GUS组织化学染色和激光共聚焦显微镜观察蛋白定位；运用色度法测定吲哌类化合物含量；并利用DAP-Seq数据分析转录因子结合位点。

MP11ir和MP在体细胞胚胎发生诱导过程中的表达特征

研究发现MP11ir转录本在体细胞胚胎发生过程中特异性高表达。在2,4-D（2,4-二氯苯氧乙酸）和NAA（萘乙酸）诱导的体细胞胚胎发生体系中，MP11ir表达水平与生长素浓度呈正相关，且在TSA（曲古抑菌素A）诱导的体细胞胚胎发生过程中表达量显著上调55-84倍。同时，全长MP转录本也呈现类似表达模式，但其表达量远高于MP11ir（在生长素诱导条件下超过100倍）。这表明MP及其剪接变体MP11ir共同参与体细胞胚胎发生的调控。

MP和MP11ir共同挽救mpS319突变体的体细胞胚胎发生缺陷

通过功能互补实验发现，mpS319突变体的体细胞胚胎发生效率显著降低（从野生型的85%降至20%）。单独表达MP11ir或MP仅能部分恢复突变体的体细胞胚胎发生能力，而同时表达两个蛋白才能完全挽救表型缺陷。此外，过表达生长素不敏感的BDL/IAA12（bdl）蛋白会完全抑制体细胞胚胎发生过程，证实MP信号通路在体细胞胚胎发生中的必要性。

过表达截短MP蛋白抑制体细胞胚胎发生过程

利用β-雌二醇诱导的proXVE:△ARF5转基因体系，研究发现过表达缺乏PB1结构域的截短MP蛋白（△ARF5）会抑制体细胞胚胎发生，导致愈伤组织形成而非胚胎结构。这表明MP11ir的功能需要精确调控，其异常表达会破坏正常的发育程序。

MP11ir调控生长素生物合成基因的表达

基因表达分析显示，△ARF5过表达显著改变了生长素生物合成基因TAA1（色氨酸转氨酶）、TAR1（TAA1相关基因）、YUC3、YUC5和YUC8（黄素单加氧酶）的表达模式。在mp突变体中，这些基因的表达也发生紊乱。DAP-Seq分析进一步证实MP可直接结合TAA1、TAR1和YUC5的启动子区域，而ARF2可结合YUC8启动子。

生长素生物合成酶的时空分布受MP和MP11ir调控

组织定位研究表明，TAA1、YUC3、YUC5和YUC8在体细胞胚胎发生过程中呈现特定的时空表达模式，且这些模式在△ARF5过表达、bdl过表达或mp突变背景下发生显著改变。例如，YUC8在△ARF5过表达时在子叶和胚轴基部强烈积累，而在mp突变体中完全缺失。

MP11ir通过调控生长素生物合成影响内源生长素水平

通过DR5:GFP报告系统监测发现，△ARF5过表达增强了体细胞胚胎发生过程中的生长素响应信号。化学分析进一步证实，△ARF5过表达导致内源IAA（吲哚-3-乙酸）含量增加3倍。使用yucasin（YUC活性抑制剂）处理可部分逆转△ARF5过表达引起的表型缺陷，证明YUC介导的生长素生物合成在体细胞胚胎发生中的关键作用。

研究结论表明，MP及其剪接变体MP11ir通过精细调控生长素生物合成基因的表达网络，维持内源生长素稳态，从而精确控制体细胞胚胎发生过程。MP11ir作为一种不依赖于Aux/IAA抑制的转录调控因子，在低生长素和高生长素浓度环境下均能激活靶基因表达，这一特性使其在体细胞重编程过程中发挥独特作用。该研究不仅深化了对植物细胞全能性分子机制的理解，也为提高作物遗传转化效率和植物再生能力提供了新的靶点策略。研究揭示的MP-MP11ir-生长素生物合成轴心调控网络，为未来作物改良和植物生物技术应用奠定了重要理论基础。