Учёные раскрыли механизм светозависимого прорастания семян у Arabidopsis

Исследовательская группа под руководством профессора Лю Сюньчэна из Южно-Китайского ботанического сада Китайской академии наук опубликовала в журнале Plant Communications исследование, раскрывающее новые детали путей, управляющих светозависимым прорастанием семян. Результаты выявили положительную регуляторную роль фактора транскрипции типа KNOX — BP/KNAT1 — у Arabidopsis и описали его взаимодействие с фоторецепторами и метаболизмом гормонов.

Прорастание семян — первый этап жизненного цикла покрытосеменных, и его точный контроль необходим для прорастания в оптимальных условиях. Среди внешних сигналов свет является ключевым регулятором, который воспринимается специализированными фоторецепторами, включая фитохромы, криптохромы, фототропины и UVR8. Из них фитохром B (phyB) — рецептор красного и дальнего красного света — играет доминирующую роль в стимуляции светозависимого прорастания.

Этот процесс зависит от координации световых сигналов с путями передачи сигналов абсцизовой кислоты (ABA, гормон, ингибирующий прорастание) и гиббереллина (GA, гормон, стимулирующий прорастание). Молекулярные механизмы, связывающие свет, phyB и метаболизм ABA, долгое время оставались неясными.

Чтобы восполнить этот пробел, команда сначала определила BP/KNAT1 как новый компонент светозависимого пути прорастания. Эксперименты в условиях активации phyB («phyB-on») показали, что семена Arabidopsis с мутациями в гене BP имели значительно более низкую всхожесть по сравнению с семенами дикого типа. Напротив, семена с гиперэкспрессией BP демонстрировали заметно более высокую всхожесть после световой обработки.

Дальнейший генетический анализ показал, что мутант phyB-9 имел сниженную всхожесть в условиях phyB-on, но гиперэкспрессия BP в фоне phyB-9 частично восстанавливала фенотип прорастания. Это указывает, что BP действует генетически ниже phyB, способствуя светозависимому прорастанию.

Исследователи использовали ко-иммунопреципитацию и другие методы, чтобы изучить взаимодействие phyB и BP на белковом уровне. Было обнаружено, что BP и phyB физически взаимодействуют как in vitro, так и in vivo.

Затем команда изучила влияние phyB на уровень белка BP в набухших семенах — критической стадии для прорастания. Были созданы трансгенные линии, экспрессирующие BP как в фоне с дефицитом phyB, так и в фоне с гиперэкспрессией phyB. Иммуноблоттинг показал, что phyB повышает стабильность белка BP.

Дополнительные эксперименты, включая анализы деградации в бесклеточной системе и обработку MG132, прояснили механизм: в условиях phyB-on, phyB снижает убиквитинирование BP и тем самым предотвращает его разрушение 26S протеасомой, позволяя BP накапливаться.

Транскриптомный анализ показал, что BP подавляет гены, участвующие в биосинтезе и передаче сигналов ABA. Команда сосредоточилась на двух генах биосинтеза ABA: NCED6 и NCED9.

Анализы связывания подтвердили, что BP напрямую ассоциируется с генами NCED6 и NCED9 как in vitro, так и in vivo — и это взаимодействие ослабевало в отсутствие phyB. Анализ хроматин-иммунопреципитации (ChIP) дополнительно показал, что в семенах мутанта bp-9 уровни H3K27me3 — репрессивной гистоновой модификации, подавляющей экспрессию генов, — были значительно ниже в локусах NCED6 и NCED9. Это снижение H3K27me3 коррелировало с заметным увеличением содержания ABA в мутантных семенах.

Исследование раскрывает ключевой молекулярный механизм светозависимого прорастания семян. Когда семена Arabidopsis подвергаются воздействию красного света, активированный phyB взаимодействует с BP, стабилизируя этот фактор транскрипции за счёт снижения его убиквитинирования. По мере накопления BP связывается с NCED6 и NCED9, повышая уровни H3K27me3, чтобы репрессировать эти гены биосинтеза ABA. Получающееся в результате снижение содержания ABA способствует прорастанию семян.