母体气候适应中脱落酸（ABA）介导的种子休眠跨代传递机制研究

本研究揭示了植物通过母体向子代跨代运输脱落酸（ABA）以适应季节性温度的分子机制。利用单核转录组（snRNA-seq）和激素转运分析，发现低温通过母体果皮组织感知并调控ABA合成与转运，进而诱导种子休眠。该机制为植物快速响应气候变化提供了表观遗传新视角。

　　

Significance

生物体能否继承亲本对环境的适应性是生物学的重要课题。在植物中，种子大小、产量和休眠等性状均受繁殖期间环境的影响，但子代是否直接感知果皮内温度，或气候信息是否通过亲本跨代传递尚不明确。本研究通过跨代单核组学技术，揭示了母体果皮组织特异性感知温度，并通过激素脱落酸（ABA）向合子的跨代运输介导种子休眠的适应性机制。研究表明，母体可通过直接传递激素调控子代性状，这为种群快速适应环境变化提供了重要机制。

Abstract

温带环境中，植物利用季节性线索调整发育进程。开花时间受严格调控以优化配子生产和种子形成的环境条件，较冷气候条件与产生更高休眠水平的种子相关，通过增加成熟种子中脱落酸（ABA）水平影响萌发季节性和频率。尽管环境变化诱导的表观遗传变异可遗传给子代并影响表型，但亲本适应性对子代适应度的具体影响仍不清楚。本研究利用^lhp1-6突变体，揭示母体植物通过ABA积累和硝酸盐信号通路预适应子代种子应对季节性温度变化的机制。

Results

LHP1通过母体ABA积累影响子代种子休眠

研究发现^lhp1-6突变体在16°C下种子发育期间呈现非休眠萌发表型，而野生型（Col-0）种子在所有测试阶段均保持休眠。通过野生型与^lhp1-6的互交实验，证实^LHP1在母体孢子体组织中的缺失是导致温度响应性种子休眠表型的主要原因。ABA测定显示^lhp1-6突变体在16°C下发育和成熟种子中ABA水平持续低于野生型。将^lhp1-6与ABA超积累突变体^cyp707a2-1杂交，可恢复成熟种子ABA水平及休眠表型，表明ABA积累不足是^lhp1-6低休眠的主要原因。离体果实培养实验进一步证明，母体果皮组织的存在对维持种子休眠不可或缺。

^lhp1突变体的低休眠表型由母体硝酸盐超积累引起

RNA-seq分析发现^lhp1-6果实中硝酸盐响应相关基因显著富集，包括初级硝酸盐响应（PNR）核心基因。突变体中硝酸盐在莲座叶、果实和种子中超积累，水平较野生型高出数百倍。染色质免疫沉淀（ChIP-seq）数据显示硝酸盐转运蛋白^NRT1.5和^NRT2.1是LHP1的直接靶标。通过离体花序和果实培养体系调控硝酸盐供给，证实高母体硝酸盐可消除低温对种子休眠的诱导效应。

单核RNA-seq定位温度和硝酸盐响应的组织特异性

通过10X Genomics Chromium平台对弯曲子叶期角果进行单核RNA-seq，清晰区分出母体组织（果皮、种皮）和合子组织（胚、胚乳）。基因表达分析表明，硝酸盐响应基因主要在母体果皮组织中上调，而胚和胚乳中响应较弱。升温处理（22°C）可在野生型中诱导类似的PNR基因表达模式，且与^lhp1-6突变体在16°C下的响应高度重叠。尽管温度变化不影响果实和种子中硝酸盐稳态水平，但可显著提高花序茎和莲座叶中的硝酸盐含量。

母体ABA是低温诱导种子休眠的必要且充分条件

ABA合成关键基因（如^NCED3、^AAO3）主要在母体果皮和种皮中表达，而ABA响应基因广泛分布于合子组织（特别是胚乳）。遗传互交实验证明，母体ABA合成（^aba2-1、^aba1-1）和子代ABA响应（^abi2-1）均为低温诱导休眠所必需。ABACUS2生物传感器成像显示，低温条件下ABA在果柄和胚珠合点区形成浓度梯度，提示ABA从母体向种子运输。外源ABA喂养实验表明，母体供给的ABA可完全模拟低温的休眠诱导效应。同位素标记实验（d6-ABA）直接证实ABA从母体组织向种子的转运。

温度调控ABA在果皮维管组织中的分布

ABA动态监测显示，低温（14°C）下种子发育早期ABA即持续升高，并在成熟期达到峰值。ABACUS2成像揭示低温特异性提高果柄和胎座维管组织中ABA水平，而在种皮和胚中形成明显梯度。成熟胚中ABA分布显示，低温处理使胚根尖和茎尖分生组织区域ABA水平显著升高。这一空间分布特征进一步支持母源ABA通过维管系统向种子传递温度信号的假说。

Discussion

本研究通过空间组学、遗传学和生物成像技术，阐明母体组织主动感知环境信号（温度、硝酸盐）并通过ABA跨代运输调控子代休眠的机制。母体维管组织ABA水平对环境温度变化高度敏感，且遗传学证据表明母源ABA是子代休眠诱导的必要充分条件。单核转录组数据清晰揭示了硝酸盐响应、ABA合成与信号传递的空间分离特征。研究表明，^lhp1-6突变体的温度不敏感性表型与硝酸盐超积累密切相关，而硝酸盐喂养可模拟升温对休眠的抑制效应。这一机制为理解植物通过跨代激素信号快速适应气候变化提供了新范式，表明在缺乏遗传或表观遗传选择的情况下，植物种群仍可通过代间激素传递实现气候适应性进化。

Materials and Methods

实验采用^{Arabidopsis thaliana}突变体（^lhp1-6、^aba2-1、^cyp707a2-1等），在长日照条件下培养至抽薹后转移至不同温度处理。种子休眠 assay 通过萌发实验统计，ABA和硝酸盐含量分别采用UPLC-MS和离散分析仪测定。ABACUS2生物传感器用于活体ABA成像，RNA-seq和单核RNA-seq数据通过STAR和Seurat流程分析。ChIP-seq数据采用MACS3进行峰识别，GO分析使用topGO完成。统计分析采用R语言，显著性阈值设定为^P<0.05。