光周期响应因子CO调控拟南芥种子大小的分子机制研究

Seed is a special reproductive and storage organ of higher plants, which determines the continuation of species. Therefore, the research on seed development especially on seed size has always been a hot topic in botany. For plants, the size of seeds is crucial to the ecological adaptability of plants. In agricultural production, seed size is one of the important factors that decide grain yield. Seed development is a very complex and delicate process. In recent years, the regulation network of plant seed size has been uncovered to some extent, but there are few reports on how the external environment affects the seed size. we found that photoperiod significantly affected the seed size of Arabidopsis, and further research found that the key factor CONSTANS(CO) in response to photoperiod directly affected the seed size, which provided a breakthrough point for us to further reveal how photoperiod affected the seed development. On this basis, this project will explore the important function of photoperiod response factor CO in seed development, and reveal the detailed molecular mechanism of CO-regulated seed size, so as to promote the understanding of the mechanism of plant seed size regulation, and provide potential theoretical basis for crop improvement and grain yield improvement in agricultural production.

种子是高等植物特有的繁殖和储存器官，决定着物种延续，而种子又是人类和动物食物结构的重要组成部分。因此关于植物种子发育尤其是种子大小的研究一直以来都是植物学研究的热点问题。对于植物而言，种子的大小对植物生态适应性至关重要；而在农业生产中，种子大小则是决定粮食产量的重要因素之一。近年来，对于植物种子大小的调控网络有了一定的阐述，但关于外部环境如何影响种子大小缺少研究。我们前期工作发现，光周期显著影响拟南芥种子的大小，进一步研究发现响应光周期的关键因子CONSTANS(CO)直接影响种子大小，这为我们深入揭示光周期如何影响种子的发育提供了切入点。在此基础上，本项目将探讨：(1) 光周期及其响应因子CO在种子发育中的重要功能，(2)CO调控种子大小的具体分子机制，以促进对植物种子大小调控机制的认知，同时为农业生产中作物改良、粮食产量的提高提供潜在的理论依据。

作为自然界中最稳定的环境因子，光周期（Photoperiod）广泛调控植物生长发育的多个方面。多年来，人们对光周期如何影响植物开花以及其背后的分子机制已有较为清晰的认识，但光周期如何影响花后的发育过程仍不清楚，其潜在的作用机制亟待解析。.根据成花转变对不同日照长度的响应，光周期敏感植物主要分为长日照（Long Days，LDs）诱导开花的长日照植物和短日照（Short Days，SDs）诱导开花的短日照植物。为探索光周期对植物种子发育影响的普遍规律，我们选取了六种具有不同光周期特性的植物，包括长日照植物百脉根（Lotus japonicus）、豌豆（Pisum sativum）和拟南芥（Arabidopsis thaliana）以及短日照植物大豆（Glycine max）、红小豆（Vigna umbellata）和菜豆（Phaseolus vulgaris），并观测其在长短日照下的种子表型。有趣的是，三种长日照植物（百脉根、豌豆和拟南芥）和三种短日照植物（大豆、红小豆和菜豆）分别在LDs和SDs下产生更大的种子，似乎和开花一样具有光周期偏好性。然而，在长日照植物拟南芥和短日照植物大豆中，当CO（或CO同源基因）发生突变时，植株在长短日照下会产生同样大小的种子，即种子大小发育失去对光周期的敏感性，表明CO在光周期调控种子发育中具有关键作用。之后，我们通过转录组（RNA-seq）、实时荧光定量（RT-qPCR）、遗传分析及其他分子生物学实验，发掘并验证了CO在调控种子发育中的靶基因APETALA2（AP2，一种已知的种子发育调节基因）。在LDs下培养的拟南芥中，CO直接抑制AP2的转录，以依赖光周期的方式调控种子大小。进一步分析发现，CO-AP2通过调控种皮表皮细胞增殖以母本依赖的方式影响种子大小。.基于这些结果，我们揭示了光周期对种子发育的直接调控作用，并阐明了CO-AP2在该过程中的核心功能。这一发现将加深人们对具有不同光周期特性的植物如何感知季节变化以优化其生殖生长的理解，为环境因子如何直接影响种子发育提供新的见解和依据。此外，种子大小是影响作物产量高低和品质优劣的重要因素，本研究可为作物在不同纬度的区域性种植提供重要的理论指导。