Amplification of ABA biosynthesis and signaling through a positive feedback mechanism in seeds
- 作者
- Mariko Nonogaki, Khadidiatou Sall, Eiji Nambara, Hiroyuki Nonogaki
- 单位
- Department of Horticulture, Oregon State University; Department of Cell and Systems Biology, University of Toronto
- 杂志
- The Plant Journal（2014）
- DOI
- 10.1111/tpj.12472
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
如何特异性地在种子成熟期增强NCED表达，以验证NCED表达是否足以诱导种子休眠，并建立正反馈放大ABA生物合成与信号的实验系统。
研究策略
利用小麦含ABA响应元件（ABRE）的启动子驱动高粱NCED（pTaEM:SbNCED），构建正反馈环；通过种子特异性GFP标记分选转基因与野生型种子，并分析ABA含量、基因表达和休眠表型。
核心内容
本研究利用小麦含ABA响应元件（ABRE）的启动子驱动高粱NCED基因（pTaEM:SbNCED），在拟南芥种子中构建了ABA生物合成的正反馈放大回路。通过种子特异性GFP标记分选同一母本来源的转基因与野生型种子，排除了母体效应干扰。结果显示，转基因种子在吸胀40小时阶段ABA含量较野生型提高9至73倍，干燥种子中ABA水平亦显著增加，8个独立转基因系均表现出持续超过3个月的超深休眠表型。10 μM fluridone处理可部分恢复萌发，证实ABA积累是休眠的主因。内源NCED5受正反馈调控而上调，而NCED6和NCED9未受影响，ABI5表达增强表明ABA信号同步放大。该工作首次在拟南芥种子中利用单子叶启动子和基因实现ABA合成的正反馈放大，证明NCED表达足以决定种子休眠，该pABRE:NCED系统为研究种子休眠机制及作物收获前发芽防控提供了实用工具。
创新点
1. 首次利用单子叶启动子和基因在拟南芥种子中实现ABA生物合成的正反馈放大；2. 通过GFP标记实现同一母本来源的转基因与野生型种子分选，排除母体效应；3. 发现内源NCED5受正反馈调控。
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Arabidopsis thaliana (Columbia-0) | ABA生物合成 | SbNCED (Sb01g013520.1) | 9-顺式环氧类胡萝卜素双加氧酶 (NCED) | 催化 | 来自高粱，由小麦pTaEM启动子驱动，催化ABA合成限速步骤 |
| Arabidopsis thaliana (Columbia-0) | ABA信号转导 | ABF (ABRE结合因子，如ABI5) | ABRE结合因子 | 调控 | 结合ABA响应元件，激活下游基因表达 |
| Arabidopsis thaliana (Columbia-0) | ABA生物合成 | AtNCED5 | NCED5 | 催化 | 内源基因，其表达被正反馈增强 |
| Arabidopsis thaliana (Columbia-0) | ABA生物合成 | AtNCED6/AtNCED9 | NCED6/NCED9 | 催化 | 内源基因，表达未增强反而降低 |
| Arabidopsis thaliana (Columbia-0) | ABA响应元件介导的转录调控 | pTaEM | — | 调控 | 来自小麦，含ABRE，受ABA和ABF激活 |
关键发现
- pABRE:NCED种子中ABA水平较野生型提高9-73倍（40小时吸胀阶段），干燥种子ABA含量也增加
- 种子休眠持续超过3个月
- 8个独立转基因系均表现超深休眠
- 10 μM fluridone处理可部分恢复萌发
- SbNCED在成熟和吸胀种子中表达
- ABI5在转基因种子中表达
- NCED5表达增强，而NCED6和NCED9未增强。
研究结论
NCED表达是种子休眠的充分决定因素，正反馈机制可放大ABA信号，pABRE:NCED系统可用于基础研究和作物收获前发芽防控。