在植物的生长发育过程中，细胞间通讯的调控至关重要。尤其是在多年生树木适应季节变化的过程中，通过胞间连丝（PD）进行的细胞间通讯控制，对其生长发育有着深远影响。2024年10月，《The EMBO Journal》发表了一篇名为“A regulatory module mediating temperature control of cell-cell communication facilitates tree bud dormancy release.”的研究论文，揭示了低温诱导树芽休眠释放过程中，细胞间通讯调控的关键机制。
研究背景
多年生树木在温带和寒带地区，其生长与季节变化的同步性是生存的关键。光周期和温度是调节其季节性生长的两大环境信号。冬季来临，日照时间缩短和温度降低，会抑制树木新叶原基的形成和茎尖分生组织（SAM）的活动，使叶原基和SAM被包裹在顶芽中，进入休眠状态。而经过长时间低温暴露后，休眠解除，春季温度回升时生长恢复。在这一过程中，细胞间通讯发挥着重要作用。
此前研究表明，短日照（SD）会诱导胼胝质积累，有助于PD关闭，从而抑制细胞间联系，建立顶芽休眠，这一过程中植物激素ABA通过MADS - box转录因子SVL及相关DAM基因发挥关键作用。然而，低温诱导休眠释放时PD开放的机制尚不清楚，特别是介导低温激活赤霉素（GA）和开花关键基因FT1的上游调节因子，以及低温诱导PD开放与休眠释放的关系亟待深入研究。
研究结果
1、低温激活LIM1表达，LIM1独立SVL和FT1介导休眠释放和促进芽萌发
作者在筛选低温诱导基因时，发现了一个未被表征的MADS - box转录因子LIM1，它在低温处理后的杂交白杨休眠芽中表达上调，且表达水平与低温暴露时长正相关，与休眠释放同步（图1）。LIM1编码的蛋白具有MADS - box和K - box保守结构域，与其他已知的MADS - box家族转录因子不同，它在低温响应中促进休眠释放，其表达不受SVL抑制，且独立于FT1调控。
图1 低温激活LIM1的表达
通过转基因技术，作者发现过表达LIM1的植株芽萌发显著提前，抑制LIM1表达则延迟芽萌发。更有趣的是，LIM1过表达植株在未经历低温处理时，也能启动芽萌发，这表明LIM1能负调控休眠，从而促进芽萌发，在休眠释放过程中发挥重要作用（图2）。
图2 LIM1介导休眠释放和促进芽萌发
2、LIM1抑制胼胝质积累并介导PD开放
PD的关闭是由胼胝质的沉积介导的，相反，胼胝质的去除促进了它们的开放，因此，胼胝质水平的变化可作为评估开放或封闭PD状态的有用标记。在低温诱导下，LIM1表达与PD开放及休眠释放密切相关。作者研究了LIM1是否在PD动力学调节中发挥作用。试验发现，在低温处理前后，LIM1过表达植株芽中的胼胝质水平皆显著低于野生型，而LIM1抑制表达植株则高于野生型，这表明LIM1对芽中胼胝质积累有负调控作用。进一步的嫁接实验表明，LIM1过表达芽嫁接到FT1过表达砧木上，在非诱导条件下能够萌发，而野生型芽则不能，这充分说明LIM1通过下调胼胝质水平促进PD开放，进而推动休眠释放（图3）。
图3 LIM1抑制胼胝质积累，介导胞间连丝打开
3、LIM1调控FT1和GA途径
先前的研究表明，低温诱导杂交白杨芽休眠释放过程中FT1和GA合成关键基因GA20氧化酶的表达。而SVL已被证明抑制杂交白杨的FT1和GA通路，但在低温反应中促进FT1或GA通路表达的上游作用转录因子尚未得到很好的表征。由于LIM1与FT1和GA20氧化酶一样在低温下被诱导，作者想确定LIM1是否介导了低温诱导芽中FT1和GA20氧化酶的表达。研究表明，LIM1过表达增强了FT1和GA20氧化酶的表达，而抑制LIM1表达则降低了它们的表达。酵母单杂交和染色质免疫沉淀实验证实，LIM1能够结合GA20氧化酶启动子，这表明LIM1在低温响应中作为FT1和GA途径的正调控因子发挥作用，可能通过激活这些途径促进芽的生长和休眠释放（图4）。
图4 LIM1正调控FT1和GA通路
4、LIM1与FT1的协同作用
尽管LIM1正向调控FT1，但研究发现，在LIM1过表达背景下抑制FT1表达，即便不经过低温的诱导芽萌发仍能发生，这表明LIM1可绕过FT1对低温响应的需求（图5 A）。同时，降低GA水平虽能抑制LIM1过表达引起的早萌发表型，但LIM1过表达植株在未经历低温时仍能萌发，这说明增强LIM1表达可直接激活GA途径（图5 B）。进一步研究表明，使用PAC（一种GA生物合成抑制剂）同时阻断FT1和GA途径能够完全抑制LIM1过表达引起的休眠缺陷，这意味着LIM1和FT1在低温响应中作用于部分冗余途径，它们共同汇聚于GA途径，协同调控休眠释放（图5 C）。
图5 LIM1和FT1部分功能冗余，在GA途径上汇聚
5、 GA对LIM1的反馈调节
为理解伴随着低温诱导LIM1表达的精细调控机制，作者构建了一个数学模型来模拟关键相互作用的网络（图6 A实线），该模型模拟了LIM1促进FT1表达，SVL抑制FT1表达，LIM1和FT1都促进GA20氧化酶表达，GA20氧化酶水平的增加促进GA合成。模拟结果显示负反馈能够使LIM1对低温的响应逐渐增加（图6 B）。实验数据进一步证实，GA对LIM1表达存在负反馈调节(图6 C)。这种负反馈调节确保了LIM1表达的渐进式升高，防止过早的休眠释放和芽萌发，从而精确调控休眠释放的时间，使树木生长与季节变化更好地同步。
图6 GA 介导的反馈调节确保了 LIM1 表达的逐渐增加
结论
本研究鉴定出LIM1转录因子作为FT1和GA途径的上游调控因子，在低温诱导下，通过抑制胼胝质积累促进PD开放，从而介导树芽休眠释放。LIM1和FT1在这一过程中通过部分冗余途径协同作用，共同汇聚于GA途径，且GA对LIM1存在负反馈调节，这一机制确保了树木在低温环境下对休眠释放的精确调控，为深入理解树木季节性生长适应机制提供了重要依据。
原文链接：https://doi.org/10.1038/s44318-024-00256-5
编辑：赖茜
校对：廖晓利
