南京农业大学滕年军教授揭示转录因子CmERF12参与菊花胚发育过程

2021年8月28日，南京农业大学园艺学院滕年军教授科研团队在著名学术期刊Journal of Experimental Botany发表题为“A novel ERF transcription factor, CmERF12, negatively influences chrysanthemum embryo development”的研究论文。该研究揭示菊花CmERF12通过负调控CmSUF4的功能参与胚胎发育过程。

研究背景

胚胎发育是植物生命的开始，也是植物物种有性生殖的重要阶段。然而，许多植物在授粉后，特别是在远缘杂交后，经常会发生胚败育的现象。导致胚败育的原因有很多，例如母本基因型、胚乳营养缺乏等。关于胚败育的研究，大多数集中在拟南芥等自交模式植物中;相比之下，园艺植物杂交过程中胚发育的研究很少。植物胚发育是一个由多基因控制的复杂过程。遗传研究表明，AP2/ERF基因在植物胚胎发育和种子萌发中起着关键作用，是调控植物发育和抗逆性的关键转录因子。但其在远源杂交过程中如何影响胚发育的，目前仍不清楚。

研究结果

研究者使用菊花品种“雨花落英”(Chrysanthemum morifolium, C.m）与野生型四倍体菊花脑(Chrysanthemum nankingense, C.n)进行远缘杂交，从后代中分离到一个新的AP2/ERF转录因子，命名为 CmERF12。转录组和实时定量PCR数据显示，CmERF12在败育的植物子房中的表达水平明显高于野生型。暗示着CmERF12可能参与了菊花胚的发育。

研究者通过在烟草中使用瞬态荧光素酶表达系证实，CmERF12的C端具有一段保守的EAR区域，EAR 结构域的突变或截断均显著降低了其抑制转录的能力。这些结果表明，CmERF12可能作为转录抑制因子调控下游基因的表达，其EAR基序在赋予这种抑制能力中发挥了不可或缺的作用。

为了深入了解CmERF12是否参与胚的发育，研究者使用小RNA干扰技术获得了菊花品种“雨花落英”的突变体amiR-CmERF12。并随后与野生型植株进行了远缘杂交。结果表明，在杂交过程中，CmERF12基因的敲除显著促进了胚的发育，提高了结实率。研究者通过构建CmERF12-OE过表达载体，并转化到异源植株拟南芥中进一步探究了该基因的功能。表型分析显示，过表达植株中胚珠的褐变和褶皱出现较多，正常胚发育率明显降低。这些结果表明CmERF12在拟南芥中过表达会影响胚的正常发育。以上结果表明，CmERF12在菊和拟南芥胚发育的调控中具有相同的作用。

为了探究CmERF12的互作成员，研究者分别使用酵母双杂交、FLC分析以及BiFC实验，证实CmERF12与CmSUF4直接相互作用。由于拟南芥中，AtEC1是AtSUF4的直接下游基因。因此研究者也克隆了菊花的CmEC1基因。EMSA实验结果显示，CmSUF4可以与CmEC1启动子结合，CmERF12对这种结合能力有负作用。在双荧光素酶(LUC)报告基因检测中，CmSUF4可以激活CmEC1启动子活性。而当CmERF12与CmSUF4共同表达时，LUC激活信号明显被抑制；说明CmERF12可以抑制CmSUF4对CmEC1启动子的激活作用。

图 CmERF12负调控菊花胚发育模型图

作者简介

滕年军教授、博士生导师。研究方向：花卉生殖发育与遗传育种，主要从事菊花杂交生殖障碍机理与抗性育 种、无花粉污染百合和菊花生殖发育机理研究。获奖及荣誉：作为骨干成员获华耐园艺科技奖 1 项、省部级科技奖 4 项，教育 部新世纪优秀人才、江对苏省“333 人才工程”第三层次培养对象、江苏省优秀共 产党员、江苏省优秀硕士学位论文指导教师、南京农业大学首批钟山学术新秀。主持或参与的科研项目：主持国际科学基金、国家自然科学基金、国家重点研发 计划子课题、教育部新世纪优秀人才支持计划、江苏省“333 高层次人才培养工 程”、江苏省自然科学基金等课题近 20 项，参与各类课题近 10 项（数据统计截至2016年）。

原文链接：

https://academic.oup.com/jxb/advance-article/doi/10.1093/jxb/erab398/6358998