植物种子萌发不仅对植物本身来说开启了一个新的生活世代，对农作物生产也非常重要。植物通过感受多种环境条件包括水分和光照等来决定种子萌发还是继续休眠进而等待更有利条件萌发开启新生活。光直接决定了植物种子萌发后的生活状况，因此，光是控制种子萌发最重要的环境信号之一。科学家已发现红光受体PhyB在光较强（红光相对远红光比例高）时通过介导降解抑制种子萌发的关键转录因子PIF1来促进种子萌发。然而，在自然界中，很多种子存在于低光强（远红光相对红光比例高）的不利条件下，如种子被冠层或落叶等覆盖，亦或被埋在深层土壤中。在这种条件下，植物种子为了生存会启动依赖于远红光受体PhyA的调控途径促进种子萌发以获得可能的生存机会。与在光照较好条件下控制种子萌发的PhyB依赖的途径相比，在光照较差条件下控制种子萌发的PhyA依赖的途径研究相对较少。
Advanced Science
2024年12月5日，北京大学生命科学学院秦跟基课题组在国际主流期刊Advanced Science上发表了题为“The Arabidopsis RING-type E3 ligase TEAR4 Controls Seed Germination by Targeting RGA for Degradation”的论文，揭示了RING类E3泛素连接酶TEAR4通过介导抑制种子萌发的DELLA蛋白RGA的降解，促进低光照条件下PhyA依赖的种子萌发过程。
秦跟基教授课题组在研究植物中重要转录因子TCP调控器官发育过程中，发现了TIE1转录抑制因子通过招募共抑制因子TPL/TPRs调控TCP活性（Tao et al., 2013, Plant Cell），进一步通过TIE1鉴定了一类TEAR（TIE1-ASSOCIATED RING-TYPE E3 LIGASE）E3泛素连接酶通过介导降解TIE1来调控TCP的功能（Zhang et al., 2017, Plant Cell）。TEAR是具有冗余功能的蛋白家族，该课题组通过构建六重突变体tear1/2/3/4/5/6，意外发现tear1/2/3/4/5/6突变体在白光下萌发延迟，而在PhyA依赖的种子萌发条件下几乎完全不萌发（图1a和1b），表明TEAR可能在PhyA依赖的种子萌发过程中起到关键作用。通过遗传互补、赤霉素（GA）和GA合成抑制剂PAC等处理确定了TEAR在萌发中的关键作用。通过酵母双杂交筛选TEAR与GA信号通路中的组分互作情况，发现TEAR4可与GA信号通路中的关键组分DELLA蛋白互作。进一步的生化和遗传等实验确定了TEAR通过介导DELLA的降解促进种子萌发，并发现在PhyA依赖的种子萌发条件下，GA途径介导的DELLA降解和TEAR介导的DELLA降解同等重要（图1c和1d）。此外，该研究还发现，早期陆生植物小立碗藓中TEAR同源基因PpTEAR1和PpTEAR2均能互补拟南芥中TEAR功能缺乏导致的萌发缺陷表型，并且PpTEAR1和PpTEAR2均具有E3泛素连接酶的活性，可以介导拟南芥DELLA以及小立碗藓PpDELLA1和PpTEAR2的降解。有意思的是，在小立碗藓中还没有演化形成GA，所以PpDELLA不能通过GA介导的方式降解，表明TEAR可能是一种在早期陆生植物小立碗藓就已产生的古老而保守的E3泛素连接酶，先于GA介导DELLA的降解。
该成果阐明了TEAR在PhyA依赖的种子萌发过程中的关键新功能，并揭示了TEAR调控种子萌发的分子机制，在PhyA依赖的种子萌发条件中，远红光将PhyA的无活性Pr形式转化为有活性的Pfr形式，并促进PfrA进入细胞核。PfrA一方面促进TEAR4的表达，另一方面同时促进转录因子PIF1的降解。PIF1的降解促进了GA的生物合成，TEAR4和GA分别独立通过介导DELLA的降解共同调控种子萌发（图1e）。该成果不仅完善了弱光下PhyA依赖的种子萌发过程的分子调控网络，也对深入理解植物种子萌发的适应性机制具有重要意义。
图1. RING类E3泛素连接酶TEARs调控PhyA依赖的种子萌发。（a）和（b）野生型、tear1/2/3/4/5/6突变体及tear1/2/3/4/5/6 35Spro-GFP-TEAR4遗传互补材料在72 HAIR (hours after irradiation) 条件下的种子萌发及统计分析。（c）和（d）施加或不施加GA3处理的phya-211和35S-TEAR4 phya-211在72 HAIR下的种子萌发及统计分析。（e）TEAR调控PhyA依赖的种子萌发工作模型。远红光条件下，PrA被激活为PfrA并转运到细胞核中。一方面，PfrA以未知的方式促进TEAR4的表达。另一方面，PfrA促进关键调控因子PIF1的降解，从而增加GA的生物合成。TEAR4和GA分别独立介导DELLA降解，促进PhyA依赖的种子萌发。
北京大学生命科学学院蛋白质与植物基因研究国家重点实验室已毕业的于浩，在站博士后王宇涛和已毕业博士王怡为该论文的共同第一作者。北京大学生命科学学院秦跟基教授为该论文的通讯作者。北京大学现代农学院邓兴旺教授对该工作做了重要贡献。该工作得到了国家自然科学基金、北京市自然科学基金、国家杰出青年科学基金以及蛋白质与植物基因研究国家重点实验室的支持。
秦跟基：
北京大学生命科学学院教授，博士生导师。
实验室研究领域：
植物叶片发育保守转录调控分子机制的研究：
叶片是光合作用的主要器官。叶片在地球上的出现彻底改变了地球表面和大气的环境，也改变了植物和动物的进化方向。早在300多年前，德国著名的自然科学家兼哲学家戈特弗里德•威廉•莱布尼茨 (Gottfried Wilhelm Leibniz) 就指出世界上没有两片完全相同叶片的自然现象，叶片形态的多样性使其成为重要的分类依据，但叶片也有统一性，比如很多叶片都是平整的。叶片如何进化而来？叶片如何根据不同的环境形成多种多样的大小和形态？又怎样形成平整的结构为进行光合作用来高效捕获光能？这些科学问题还远没有研究清楚。本课题组的研究方向主要是根据这些科学问题，以模式植物拟南芥和水稻为材料，利用遗传学、分子生物学和生物化学的方法，寻找和克隆调控叶片发育相关的重要保守关键基因，研究重要转录因子TCP、EXB蛋白家族、转录抑制因子TIE蛋白家族以及与染色质重塑因子相关的TPL/TPRs蛋白家族在调控叶片和其他器官发育中的保守分子机制，完善调控叶片发育的分子调控网络，为叶片与侧枝间的进化关系提供可能的分子证据，加深理解叶片形成平整以及不同形态和大小的分子机理，为通过分子设计育种改造植物株型和叶片大小和形态来提高农作物产量提供理论基础。
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