新研究揭秘甲基轉移酶CCoAOMT1調控bHLH轉錄因子維持花粉發育內穩態的分子機制

2023年12月12日，Science China-Life Sciences在線發表了復旦大學常芳課題組題為“Revealing the Role of CCoAOMT1: Fine-Tuning bHLH Transcription Factors for Optimal Anther Development”的研究論文。該研究揭示了一個新的翻譯后水平調控機制：甲基轉移酶CCoAOMT1通過促進bHLHs轉錄因子的出核降解而負調控bHLH089功能，從而有效阻止bHLHs下游花藥絨氈層轉錄網絡的有害過量，并最終確保花粉發育內穩態。

花粉作為被子植物的雄配子體，對植物有性生殖至關重要。正常的花粉發育受到環境和自身信號的雙重調控。絨氈層是花藥壁四層體細胞中直接靠近小孢子的一層，為小孢子提供花粉壁前體物質，對維持正常花粉育性至關重要，但長期以來對維持絨氈層內穩態的機制并不清楚。復旦大學常芳教授課題組前期研究曾揭示：花藥絨氈層中的門控轉錄因子DYT1與其下游bHLH轉錄因子之間存在多個“前饋”和“正反饋”環路，這些反饋環路共同保障了絨氈層中與花粉壁前體物質合成途徑相關的轉錄網絡的精準調控和迅速放大（Zhu et al., 2015; Cui et al., 2016）。而眾所周知，轉錄網絡的過度放大會造成孢粉素合成的有害過量，反而破壞花粉發育，導致雄性育性下降。因此，及時“剎車”是必不可少的。

本次研究中，課題組揭示了一個直接作用于bHLH010/bHLH089轉錄因子的轉錄后層面的“剎車”途徑：甲基轉移酶CCoAOMT1直接作用于bHLH010/089轉錄因子保守的K259位點，促進bHLHs轉錄因子的出核及降解，從而通過減少bHLHs轉錄因子在細胞核的積累而有效抑制其下游基因的的表達，并最終確保花粉發育的內穩態。bhlh010/089突變體及bHLH89轉基因過表達植株均表現出嚴重的花粉發育異常，表明bHLHs轉錄因子的內穩態對花粉發育至關重要。CCoAOMT1是課題組通過互作蛋白篩選鑒定到的一個與bHLH010、bHLH089均存在相互作用的甲基轉移酶。課題組首先發現CCoAOMT1在生殖組織、特別是花藥絨氈層細胞中高表達，且廣泛分布于細胞膜、ER、及細胞核中；其轉基因過表達植株表現出類似于bhlh010/089突變體植株的表型：果莢短小、花粉數目少且多數干癟敗育、花粉萌發率極低。進一步通過細胞、生化、遺傳等試驗聯合分析發現：bHLH010/089轉錄因子自身特異地分布于細胞核中，而CCoAOMT1促進其出核降解；bHLH010/089轉錄因子保守的甲基化位點K259是CCoAOMT1作用的關鍵位點；將該位點突變后，bHLH089^K59A的核分布不再受CCoAOMT1負調控，bHLH089^K59A蛋白在細胞核內大量積累；將突變后的bHLH089（bHLH089^K59A）轉基因過表達至bhlh010/089突變體中，并不能像野生型bHLH089一樣恢復突變體表型，而是使突變體表現出bHLH089過表達類似的表型；此外，bHLH089過表達所導致的花粉發育異常能夠被CCoAOMT1過表達所恢復。以上結果綜合解析了CCoAOMT1通過抑制bHLHs轉錄因子而維持花粉發育內穩態的分子機制。

復旦大學與海南大學聯合培養博士生來澤森（現海南大學博士后）為論文的**作者，復旦大學常芳教授為通訊作者。海南大學與中國熱帶農業科學院彭世清研究員、美國賓州州立大學馬紅教授、復旦大學博士研究生王健正、付營（現中科院植物分子**創新中心助研）、本科生王夢涵參與了該研究工作。上述研究工作得到了科技部重點研發計劃、國家自然科學基金、及復旦大學***人才計劃專項經費的資助。

至此，該課題組先后揭示了維持雄性育性的兩種正向調控機制：前饋機制、正反饋機制；以及兩條“剎車”途徑：另一條通過絨氈層內部的甲基轉移酶直接作用于bHLH轉錄因子而實現；另一條通過來自小孢子的CLEs小肽信號激活的跨膜信號傳導而實現。

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