Nature Plants|在水稻卵细胞中表达父本基因组中的转录因子协同诱导了不依赖受精的胚胎发生

文摘   2024-11-13 16:49   中国香港  

水稻 / 卵细胞 / 胚胎发生 / 转录因子

在开花植物中,受精后合子基因组迅速激活。但截至目前,我们对胚胎起始的分子途径仍了解有限。
在先前比较水稻合子与卵细胞转录组的研究中,观察到在核融合后,合子中出现了已知可促进体细胞胚胎发生的转录因子的新表达。令人意外的是,包括AP2/ERF家族成员BABY BOOM 1OsBBM1)和WOX家族成员DWARF TILLER1/WUSCHEL-LIKE HOMEODOMAIN 9OsWOX9A)在内的少数转录因子,最初仅从父本基因组中表达。
随后发现,OsBBM1在卵细胞中的异位表达足以诱导孤雌生殖(无受精胚胎发生),从而产生仅包含母本基因组的单倍体水稻植株。因此,水稻中需要受精过程来启动的胚胎发生是由精细胞传递的OsBBM1父本等位基因介导的。然而在这种情境中,孤雌生殖的诱导是不完全的,在最高效率下仅获得约29%的单倍体后代。
这种OsBBM1作用的不完全性促使我们考虑,是否还有其他转录因子可能参与受精后的胚胎启动,它们要么与OsBBM1平行作用,要么作为其增强子。
2024年11月12日,Nature Plants上线了一篇关于水稻胚胎启始机制的Letter文章,“Synergistic induction of fertilization-independent embryogenesis in rice egg cells by paternal-genome-expressed transcription factors”。该研究表明,胚胎起始是由受精卵细胞中父本基因组表达的转录因子的协同作用促进的。

图1. OsWOX9AOsBBM1介导的孤雌生殖的有效增强子

该研究将主要候选者聚焦在OsWOX9A(也称为OsDWT1)上,它同样在受精卵细胞中表现出父本等位基因特异性的新表达,尽管它与OsBBM1不同之处在于在精细胞中无法检测到(图1a)。

为了测试OsWOX9A是促进合子转变的额外因素的可能性,在拟南芥卵细胞特异性启动子EC1.2的控制下异位表达了OsWOX9A(图1b)。随后,筛选了八个T0代初级转化系的540个后代,却没有发现由孤雌生殖产生的单倍体植物。

这表明OsWOX9A在水稻卵细胞中的表达,不足以产生孤雌生殖的单倍体后代,因此OsWOX9A很可能不具备独立于OsBBM1的胚胎启动能力。

图2. OsWOX9AOsWOX9C在胚胎发生中的作用是冗余的

接下来,通过一系列实验,探究了OsWOX9A作为OsBBM1的增强子来促进胚胎发生的可能性。结果表明,OsWOX9AOsBBM1在卵细胞中的共表达导致了86-91%的孤雌生殖,比单独使用OsBBM1增加了4到15倍。

由此,可在将来的农业生产中,利用这些胚胎起始的分子机制,在作物中高效地生产单倍体,以及克隆杂交种子。

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