温度特异性分子生物力学机制调控胚乳细胞壁弱化与种子萌发的冷热非最适温度抑制

这篇研究通过整合热时间模型、生物力学和转录组学分析，揭示了非最适温度下抑制种子萌发的新机制。研究发现，在冷（11°C）、亚适温（18°C）和超适温（32°C）条件下，Lepidium sativum胚乳帽区（CAP）弱化的生物力学特性存在本质差异：寒冷通过改变CAP刚度/弹性（stiffness/elasticity）抑制弱化，而高温则完全阻断弱化进程。通过差异表达分析鉴定出细胞壁重塑蛋白（CWRP）基因家族，包括木葡聚糖（xyloglucans）、半乳甘露聚糖（galactomannans）、果胶（pectins）和UDP-糖代谢相关基因，并证实DELAY-OF-GERMINATION-1（DOG1）通过温度依赖性调控CWRP表达控制CAP弱化。该研究为理解温度感知与发育速率调控提供了分子生物力学新视角。

　　

温度感知与胚乳弱化的分子生物力学机制

温度作为关键环境因子，通过热时间（thermal-time）模型调控种子萌发速率。传统模型认为温度与萌发速率呈线性关系，但其分子机制长期未知。本研究以Lepidium sativum为模型，通过穿刺力测量和转录组分析，首次揭示不同温度下胚乳帽区（CAP）弱化的异质性机制：

1. 生物力学特性分化

   在最优温度（24-27°C），CAP组织强度（穿刺力，puncture force）随时间降低，刚度不变；超适温（32°C）完全抑制弱化但保持刚度；而寒冷（11°C）引发独特表型——穿刺力仅部分降低，但刚度显著下降（~150 mN/mm平移）。力-位移曲线分析表明，寒冷通过改变CAP弹性而非单纯削弱强度来延缓萌发。

2. 温度特异性转录调控

   比较转录组发现：

   • 冷特异性（11°C）上调基因：包括α-半乳糖苷酶SIP2（降解棉子糖）、UDP-葡萄糖差向异构酶UGE2和木半乳糖醛酸聚糖合成酶XGD1，共同促进UDP-糖代谢重编程，可能通过改变果胶结构增加弹性。

   • 18°C特异性基因：木葡聚糖（XG）合成酶XXT1和CSLC4/8显著上调，提示亚适温下XG网络重构。

   • 保守弱化基因：扩张蛋白EXPA2在亚适温范围（80-270°C·h）表达量与热时间累积呈线性正相关，但在超适温丧失功能。

3. DOG1的核心调控作用

   转基因过表达DOG1的种子在24°C完全抑制CAP弱化，伴随EXPA2和半乳甘露聚糖酶GAL2表达下调。有趣的是，18°C能恢复其萌发能力，表明DOG1通过温度窗口调控下游CWRPs。

4. 细胞壁重塑网络

   关键靶点包括：

   • 半乳甘露聚糖降解：GAL2和MAN（未达差异阈值但已知参与）

   • XG代谢：合成酶XXT1/2与修饰酶XTH19/24/33呈现温度特异性表达

   • 果胶重塑：XGD1介导的木半乳糖醛酸聚糖（XGA）合成在寒冷中活跃

这项研究突破了传统线性模型的认知，证明温度通过激活 distinct 分子通路调控细胞壁力学特性，为作物抗逆育种和生态适应性研究提供了新靶点。