近日，中國科學院華南植物園劉勛成團隊在植物科學領域著名期刊《Plant Communications》上發表了題為“Phytochrome B stabilizes the KNOX transcription factor BP/KNAT1 to promote light-initiated seed germination in Arabidopsis thaliana”的研究論文。該研究闡明，擬南芥KNOX家族轉錄因子BP/KNAT1在光誘導種子萌發過程中起正調控作用。紅光/遠紅光受體——光敏色素phyB能夠直接與BP蛋白互作，通過降低其泛素化修飾水平，促進其在吸脹種子中的蛋白積累。進一步研究發現，BP直接抑制ABA生物合成關鍵基因NCED6與NCED9的表達，從而降低內源ABA含量，促進種子萌發。該研究不僅揭示了光誘導種子萌發通路中的一個關鍵正調控因子，也深化了對phyB介導的光促萌發機制的理解，為未來培育具有理想萌發特性的作物品種提供了重要的理論依據。

1、研究背景

萌發是種子植物生命周期的起點，其精準調控對選擇適宜的萌發條件至關重要。在多種環境因子中，光作為關鍵調控因素之一，被一系列光受體感知，包括光敏色素（phytochromes）、隱花色素（cryptochromes）、向光素（phototropins）和UVR8。其中，光敏色素作為紅光/遠紅光受體，在光誘導的種子萌發中起核心作用，尤以phyB最為重要。紅光激活phyB以啟動萌發，而遠紅光則通過使其失活從而抑制萌發。在植物激素方面，脫落酸（ABA）和赤霉素（GA）分別作為負向和正向調節因子參與萌發調控。phyB介導的光信號通路依賴于與ABA和GA信號的協同互作。然而，長期以來，“光–phyB–ABA”途徑中的核心調控因子及其分子機制仍不明確。

2、主要研究內容

（1）BP是phyB介導的光促進種子萌發途徑中的正調控因子

研究團隊鑒定出擬南芥KNOX家族轉錄因子BP/KNAT1是光誘導種子萌發通路中的一個新組分。在phyB激活條件下，BP突變體的種子萌發率顯著低于野生型，而BP過表達株系則表現出顯著提高的萌發率。遺傳分析表明，在phyB突變體中過表達BP可部分回復其萌發缺陷表型。這些結果證實BP在遺傳上作用于phyB的下游，正向調控光依賴的種子萌發過程（圖1）。

圖1. BP是phyB介導的促進種子萌發過程中的正調控因子

（2）phyB與BP直接互作并通過降低BP的泛素化水平促進其蛋白積累

基于phyB與BP之間的遺傳互作關系，研究團隊進一步探究了二者在蛋白水平上的相互作用。酵母雙雜交、熒光素酶互補及免疫共沉淀等實驗結果表明，BP在體內和體外均能與phyB發生直接互作。為研究phyB對吸脹種子中BP蛋白穩定性的影響，研究人員分別構建了在phyB突變體和過表達株系背景下的BP轉基因材料。免疫印跡分析顯示，phyB過表達可促進BP蛋白的積累，而phyB缺失則導致BP蛋白水平降低。進一步的體外降解實驗及MG132處理實驗證明，phyB通過減少BP的泛素化修飾，從而抑制26S蛋白酶體介導的降解途徑，增強BP蛋白的穩定性（圖2）。

圖2. PhyB與BP互作降低其泛素化水平從而促進其在吸脹種子中的積累

（3）BP直接結合NCED6/9并通過提高H3K27me3修飾水平抑制其表達

轉錄組分析顯示，在phyB激活條件下，BP與phyB共同抑制萌動種子中ABA的生物合成及其信號轉導途徑。進一步的轉錄調控分析表明，BP能夠在體內和體外直接結合NCED6/9基因，并通過提高其組蛋白H3K27me3修飾水平以抑制表達；而在phyB缺失背景下，BP對NCED6/9的結合能力及轉錄抑制效應均顯著減弱。ABA含量測定結果發現，在phyB激活時，BP突變體中的ABA含量明顯高于野生型，而在phyB失活條件下則無顯著差異。遺傳分析表明，NCED6/9在遺傳上位于BP的下游，參與光調控的種子萌發過程。以上結果說明，在phyB激活的萌發途徑中，BP通過增強NCED6/9基因位點的H3K27me3修飾水平抑制其轉錄，從而減少ABA的生物合成（圖3）。

圖3. BP通過抑制NCED6和NCED9表達降低ABA生物合成

綜上，研究團隊揭示了光誘導種子萌發過程中“phyB–BP–NCED6/9”級聯模塊的核心分子調控機制：在黑暗或遠紅光（phyB 失活）條件下，吸脹種子中的BP蛋白高度泛素化并被26S蛋白酶體降解，同時NCED6/9大量表達，導致ABA水平升高，從而抑制種子萌發；而在強光或紅光（phyB 激活）條件下，phyB 與 BP 結合并通過去除其泛素化修飾以穩定該蛋白；積累的BP蛋白進而抑制NCED6/9的表達，降低ABA含量，最終促進種子萌發（圖4）。

圖4. 光誘導種子萌發中phyB-BP-NCED6/9級聯調控作用模式

3、研究團隊

中國科學院華南植物園辜大川副研究員、博士研究生王雅寒與華南農業大學趙明磊副教授為本論文的共同第一作者，中國科學院華南植物園劉勛成研究員為通訊作者。廣東省農業科學院吳淑華助理研究員、華南植物園鄭楓助理研究員、博士研究生陳航聰和紀茹君，碩士研究生金霞、鄧玲與許婧妍也參與了本項研究工作。本研究得到國家自然科學基金、“天山英才”科技創新團隊項目與中國科學院青年創新促進會優秀會員項目資助。

論文鏈接：https://www.cell.com/plant-communications/fulltext/S2590-3462(25)00279-2