BPC转录因子通过调控SPT和NTT介导拟南芥心皮发育的新机制

《Plant Molecular Biology》：A novel role of BPCs in the control of medial domain differentiation during gynoecium development in Arabidopsis thaliana

本研究揭示了拟南芥Basic PentaCysteine（BPC）转录因子在雌蕊发育中的关键作用。研究人员发现BPC通过直接调控SPATULA（SPT）和NO TRANSMITTING TRACT（NTT）等关键基因的表达，协调心皮边缘分生组织（CMM）分化，从而影响隔膜和传输道的正常发育。该研究为理解植物生殖器官发育的分子机制提供了新见解。

　　

在开花植物的繁殖过程中，雌蕊（gynoecium）作为一个高度特化的结构，承担着保护胚珠、引导花粉管生长以及种子发育和传播等重要功能。这个复杂的器官由两个心皮融合而成，其中隔膜（septum）的形成尤为关键，它不仅是区分两个心皮腔室的结构，还包含传输花粉管所必需的传输道（transmitting tract）。然而，调控这一精细发育过程的分子机制尚不完全清楚。

近年来，BASIC PENTACYSTEINE（BPC）转录因子家族逐渐引起研究人员的关注。这个植物特有的转录因子家族包含7个成员，分为三类，其中BPC5是一个假基因。研究表明，BPC蛋白能够与富含"GA"的序列结合，既可作为转录激活剂，也可作为转录抑制因子发挥作用。虽然单突变体和双突变体没有明显表型，但高阶突变体（如bpc1 bpc2 bpc3三突变体）会表现出严重的发育缺陷，包括花序异常、叶片形态改变等。特别值得注意的是，这些突变体在雌蕊发育方面存在明显缺陷，但具体的分子机制仍有待阐明。

在这项发表于《Plant Molecular Biology》的研究中，Francesca Caselli等研究人员系统探讨了BPC转录因子在拟南芥雌蕊发育中的功能。研究团队发现，BPC通过调控一个复杂的基因网络，包括直接激活SPATULA（SPT）和NO TRANSMITTING TRACT（NTT）等关键调节因子，从而确保隔膜和传输道的正常发育。

研究采用了多种关键技术方法：利用bpc123（bpc1-2 bpc2 bpc3）和bpcV（bpc1-2 bpc2 bpc3 bpc4 bpc6）等多突变体进行表型分析；通过RNA测序鉴定差异表达基因；运用原位杂交技术分析基因表达模式；采用染色质免疫沉淀（ChIP）验证转录因子与靶基因启动子的直接结合；应用CRISPR/Cas9技术构建pils3 pils4双突变体。

bpc多突变体表现隔膜形成缺陷

研究人员首先系统观察了不同BPC突变体的雌蕊发育情况。在成熟角果中，野生型和bpc4 bpc6双突变体大多能形成完整的隔膜，而bpc123三突变体中只有少数角果具有完整隔膜，大部分表现为部分隔膜发育。最为严重的是bpcV五突变体，所有分析的角果都未能形成完整隔膜，其中绝大多数完全缺失隔膜结构。

通过不同发育阶段的横截面分析，研究人员发现野生型和bpc4 bpc6在阶段10开始出现两个隔膜原基的融合，而bpc123和bpcV突变体在这一关键过程中出现障碍，导致后续隔膜发育异常。

BPC参与多个隔膜发育通路的调控

RNA测序分析显示，bpcV突变体中有2253个基因表达发生显著变化，其中1006个上调，1247个下调。功能富集分析表明，这些差异表达基因主要涉及激素响应、转运活性和DNA结合等功能。特别值得注意的是，多个已知参与雌蕊和心皮边缘分生组织发育的转录因子表达异常，包括SPT和NTT。

转录因子结合位点分析发现，下调基因的启动子区域显著富集G-box、C-box（BPC结合 motif）、W-box和CArG-box等顺式元件，提示bHLH、bZIP、WRKY和MADS等转录因子家族可能参与这一调控网络。

BPC直接调控关键靶基因

通过整合DNA亲和纯化测序（DAP-seq）数据，研究人员鉴定出175个可能受BPC直接调控的靶基因，其中包括多个参与雌蕊发育的关键因子。这些基因的功能主要涉及器官形态建成、激素响应和转录调控等过程。

I类和II类BPC正调控SPATULA

SPT作为bHLH家族转录因子，在雌蕊发育中发挥核心作用。表达分析显示，bpcV和bpc123突变体中SPT表达均显著下调。原位杂交结果表明，在野生型中，SPT在心皮边缘分生组织、发育中的隔膜、传输道、胚珠和珠柄中均有表达，而在bpc突变体中，其表达范围明显受限。

遗传互作分析发现，bpc123 spt-11四突变体的隔膜缺陷比亲本更为严重，绝大多数角果完全缺失隔膜，表明BPC和SPT可能通过部分独立的通路协同调控隔膜发育。

BPC直接调控传输道分化的关键因子

NTT是调控传输道分化的关键转录因子，在bpcV突变体中表达显著下调。DAP-seq和ChIP实验均证实BPC6能直接结合NTT启动子区域。表达模式分析显示，在bpcV和spt-11突变体中，NTT的表达区域明显缩小，而在bpc123 spt-11四突变体中这种效应更为显著。

传输道特异性染色（阿尔新蓝染色）表明，bpc123和bpcV突变体的传输道细胞外基质沉积严重受损，spt-11和bpc123 spt-11突变体也表现出类似缺陷，证实BPC通过调控NTT影响传输道的正常分化。

BPC调控隔膜中的PILS3表达

PILS3是内质网上的生长素输出载体，通过调控细胞内生长素可用性参与多种生长过程。研究发现PILS3在心皮边缘分生组织的最外层细胞中特异表达，该区域正是介导隔膜融合的关键部位。虽然RT-PCR未能检测到显著表达变化，但DAP-seq和ChIP实验证实BPC能直接结合PILS3启动子。

研究人员利用CRISPR/Cas9技术构建了pils3 pils4双突变体，发现虽然其角果表型相对温和，但传输道细胞外基质沉积明显减少，表明精细调控生长素稳态对隔膜正常发育至关重要。

这项研究系统阐明了BPC转录因子在拟南芥雌蕊发育中的核心作用。研究表明，BPC通过一个复杂的调控网络协调隔膜和传输道的发育：一方面直接激活NTT等关键调节因子，另一方面通过调控SPT影响下游通路。同时，BPC还通过直接调控PILS3等生长素转运蛋白，精细调节激素稳态。

这些发现不仅深化了我们对植物生殖器官发育分子机制的理解，也为解析BPC转录因子家族的多效性功能提供了重要线索。特别值得注意的是，BPC可能通过与MADS域蛋白等因子形成复合物，共同调控生殖发育的关键基因。这种多层次的调控机制确保了雌蕊的正常发育，最终保障植物的繁殖成功。