水稻中的三重成花信号通过转录去抑制促进茎秆伸长

《The Plant Journal》：Triple florigenic signaling in rice promotes stem elongation via transcriptional de-repression

　　

谷类作物的生殖阶段开始以花序形成和茎秆伸长为标志。在水稻中，由HEADING DATE 3a（Hd3a）和RICE FLOWERING LOCUS T 1（RFT1）编码的成花素蛋白通过诱导顶端分生组织中的花身份基因表达并建立茎秆对赤霉素（gibberellins, GA）的反应感受性来协调这两个发育转变。茎秆伸长在营养阶段被PREMATURE INTERNODE ELONGATION 1（PINE1）的活性抑制，而成花素减少其转录，从而解除生长抑制。在此，研究人员首先解析了茎顶端分生组织和下方茎组织中调控因子在控制生殖阶段转变过程中的关系。接下来，研究人员表明PINE1蛋白与TOPLESS相关（TOPLESS-related）和组蛋白去乙酰化酶（HISTONE DEACETYLASE, HDAC）蛋白形成高阶复合物，并通过降低组蛋白乙酰化水平和增加染色质可及性来抑制一组靶基因。研究人员提出PINE1通过组蛋白去乙酰化控制染色质可及性，阻止茎秆生长，而成花素蛋白作用于促生长信号的上游。

**水稻三重成花信号通过转录去抑制促进茎秆伸长——论文解读**

**研究背景与问题**
植物生殖期的启动依赖花序形成和茎秆伸长两个关键事件。在水稻中，成花素蛋白Hd3a和RFT1作为长距离信号，从叶片传输至茎顶端分生组织（SAM），诱导花器官身份基因（如OsMADS14/15）表达，并建立茎秆对赤霉素（GA）的响应能力。然而，营养期茎秆伸长被转录因子PINE1（又称DEC1）强烈抑制，而开花时成花素如何解除这种抑制尚不清楚。此外，近期发现第三个成花素蛋白FT-L1在SAM中被Hd3a/RFT1诱导表达，但其是否独立参与茎秆伸长调控也未明确。PINE1的分子作用机制——特别是其如何通过染色质修饰实现转录抑制——以及成花素信号网络中各因子的层级关系，是亟待解决的关键问题。本研究正是为了阐明这些调控机制，论文发表在《The Plant Journal》。

**主要技术方法**
研究人员利用水稻品种Nipponbare及其pine1突变体，通过以下关键技术开展研究：
- 基因表达分析（qRT-PCR）检测SAM和节点组织中PINE1、OsMADS14/15、FT-L1的转录动态。
- 遗传互补与转基因分析：在hd3a rft1双突变背景下过表达OsMADS14、OsMADS15或FT-L1，以解析调控层级。
- 酵母双杂交（Y2H）、双分子荧光互补（BiFC）、荧光共振能量转移-荧光寿命成像（FRET-FLIM）验证蛋白互作。
- 全转录组测序（RNA-seq）、染色质免疫沉淀测序（ChIP-seq，抗H3K9K14乙酰化抗体）、转座酶可及性染色质测序（ATAC-seq）分析pine1突变体与野生型（WT）的茎尖（3 mm，含SAM）组织。
- 进化保守性分析：比对PINE1同源蛋白序列。

**研究结果**
**1. 成花素是下调PINE1和茎秆伸长所必需的**
通过检测不同成花素突变体（hd3a ft-l1、rft1 ft-l1、hd3a rft1）在短日照（SD）诱导下PINE1的表达，发现hd3a rft1双突变体中PINE1无法有效下调，即使生长85天后仍表达，且该突变体虽不抽穗但最终会随年龄增长发生茎秆伸长，但伸长模式与WT不同（所有节间均等伸长）。表明成花素活性是快速下调PINE1的必要条件，而年龄依赖性伸长不依赖PINE1下调。

**2. PINE1在成花素调控网络中的位置**
检测OsMADS14、OsMADS15和FT-L1在SAM和节点中的表达动态，发现它们在SD诱导后均上调，但程度低于SAM。在hd3a rft1背景中过表达OsMADS14或OsMADS15不能诱导开花或节间伸长，而过表达FT-L1则可恢复开花和节间伸长，并降低PINE1表达。因此PINE1位于FT-L1下游，且独立于OsMADS14/15通路。

**3. PINE1的EAR基序在进化上保守**
比对从早期陆生植物到被子植物的PINE1同源蛋白，发现两个EAR基序（EARN和EARC）在单子叶植物中完全保守，EARC在种子植物中普遍存在，而EARN在部分类群中丢失。表明EARN可能在单子叶植物中具有功能重要性。

**4. PINE1与TOPLESS和组蛋白去乙酰化酶蛋白互作**
酵母双杂交显示PINE1通过其C端EAR基序（EARC）与共抑制子OsTPR3和ASP1互作，而N端EAR基序（EARN）不参与此互作。BiFC和FRET-FLIM确认PINE1与ASP1在核中互作，ASP1进一步与组蛋白去乙酰化酶HDAC15互作。三分子FRET-FLIM证明PINE1、ASP1、HDAC15形成三元复合物，提示PINE1通过招募HDAC复合物介导转录抑制。

**5. pine1突变体中组蛋白高乙酰化激活转录**
RNA-seq鉴定出621个差异表达基因（70%上调），富集于细胞壁重塑、水运输和GA代谢通路。ChIP-seq（抗H3K9K14乙酰化）发现132个差异乙酰化区域（70%高乙酰化）。ATAC-seq显示1018个差异可及性区域（62%在突变体中更易接近）。三重数据重叠的26个基因同时上调、高乙酰化且染色质更可及，其中23个在pine1中开放度增加。独立验证了三个靶基因。因此PINE1通过去乙酰化限制染色质可及性，抑制靶基因表达。

**总结讨论与结论**
讨论部分指出，PINE1是茎秆伸长的一般性调控因子，其作用位于成花素和FT-L1下游，但独立于MADS盒基因。PINE1的功能依赖于两个EAR基序，EARC介导与共抑制子的互作，而EARN可能通过稳定互作或招募额外因子发挥功能。PINE1通过组蛋白去乙酰化维持染色质压缩状态，从而阻止节间分生组织活性。成花素信号通过下调PINE1解除这种抑制，允许促生长信号（如GA）发挥作用。研究还提出，在深水稻中，PINE1的沉默机制与GA或乙烯信号相关，但其与成花素调控的异同尚待探索。

**研究结论**：PINE1通过组蛋白去乙酰化控制染色质可及性，阻止茎秆生长；成花素蛋白作用于促生长信号的上游，通过转录去抑制促进茎秆伸长。