赤霉素调控植物胚胎发育的分子机制研究

Embryonic development is an indispensable event for plant reproduction, which determines survival and species continuation of plants. In agriculture, the embryonic development is tightly relevant to the seeds safety, yield and quality of the crops. Gibberellin (GA) is a crucial phytohormone which mediates the multiple developmental processes in plants. However, the underlying molecular mechanism how GA mediates plant embryonic development still remains obscure. We previously found that: when treated with the GA biosynthesis inhibitor paclobutrazol (PAC), the young seeds finally present an abnormal phenotype that is similar to lec1 mutant, including embryo defect and desiccation intolerance, which could be totally suppressed if we treat with GA plus PAC instead of PAC alone; Moreover, the induction of DELLA protein RGA, a key GA signaling repressor, during embryonic developmental process, also causes a similar abnormal phenotype of embryo; We further found that DELLAs interact with LEC1, a central regulator of embryogenesis, in vivo and in vitro. Hence, we hypothesize that GA may play a vital role in embryonic development via mediating the activity of LEC1. Here, we mainly focus on the functional analysis of GA in plant embryogenesis and clarification of the molecular mechanism in which DELLA proteins and LEC1 interact to regulate downstream genes transcription. These results will shed lights on GA signal regulation in embryogenesis and provide technologic basis for promoting seeds safety, and yield and quality of the crops.

种子胚胎发育是植物繁殖的重要事件，决定了植物物种的延续。在农业上，胚胎发育直接关系到农作物种子安全、产量和品质的保证。赤霉素（GA）作为主要植物激素，参与了植物众多发育过程，然而其如何参与并调控胚胎发育的分子机理仍不清楚。我们前期发现：GA合成抑制剂PAC处理的拟南芥幼角果出现类似lec1突变体的表型，如胚胎畸形、种子不耐脱水干燥等，该表型能被同时处理GA所恢复；当GA信号抑制因子DELLA蛋白RGA在种子发育阶段诱导积累时，也会引起类似胚胎发育异常；进一步研究发现DELLA蛋白与胚胎发育关键因子LEC1存在互作。据此我们推测GA在胚胎发育中可能通过介导LEC1蛋白活性来发挥重要作用。在此基础上，本项目拟通过对GA在胚胎发育中的功能研究，阐明DELLAs与LEC1蛋白互作对下游基因的转录调控模式，以揭示GA参与植物胚胎发育的分子调控机制，为促进农作物保种及产量与品质的提升提供理论依据。

植物胚胎发育是一个复杂而精细的生命过程，是关乎物种种族延续的重要事件。赤霉素(Gibberellin, GA)作为主要植物激素之一，在植物整个生长发育过程中都扮演着关键的角色。近年研究表明GA可能调控植物的胚胎发育，但是由于GA同时参与花器官发育及授粉等生殖过程，植株缺乏GA严重影响结实，因此关于GA在植物胚胎发育过程中的具体角色缺乏调查手段，相关分子调控机制依然不清楚。我们以拟南芥为研究对象，对GA在植物胚胎发育过程的角色及其调控机制进行了深入剖析。.在本研究中，我们通过生化、遗传等手段揭示了GA在胚胎发育中的角色，并深入解析 GA 通过介导 DELLA-LEC1之间的蛋白互作来调控胚胎发育过程。在从心形期到成熟期的胚胎发育进程中，内源活性GAs含量逐渐上升并在胚胎快速膨大扩张期达到峰值，随后逐渐减少直至胚胎成熟期达到很低的水平。LEC1作为晚期胚胎发育的关键调节因子，在蛋白和转录水平有着和活性GA含量类似的变化模式。在胚胎快速膨大阶段，活性GAs促使DELLA蛋白发生降解从而释放DELLA对于LEC1的抑制，以此增加胚胎发育相关基因的表达，保障胚胎正常生长。在胚胎成熟期，GA含量维持在一个较低水平，造成DELLA蛋白积累，通过与ABI3互作参与到种子储藏物质积累过程。我们的结果揭示了GA在胚胎发育和种子储藏物质积累中扮演至关重要的角色，填补了GA在胚胎中功能和作用机理的空白。.综上所述，我们深入揭示了GA以一种时空特异的机制调控胚胎发育和种子成熟，这些发现为对于理解植物激素如何调控胚胎发育提供了新的视角。植物胚胎的正常发育影响种子的形成，而种子的质量关乎粮食作物产量的高低和品质的优劣，因此这些研究也为作物育种改良提供了重要的理论依据。.