封面文章/中南林业科技大学揭示了外源茉莉酸甲酯对油茶种子发育的调控机制

2023年4月7日，中南林业科技大学袁德义/龚文芳油茶科研创新团队在Journal of Agricultural and Food Chemistry（中科院1区，IF = 5.895）上以封面文章发表了题为“Transcriptome and Anatomical Comparisons Reveal the Effects of Methyl Jasmonate on the Seed Development of Camellia oleifera”的研究论文，揭示了外源茉莉酸甲酯对油茶种子发育的调控机制。

油茶（Camellia oleifera Abel.）是我国重要的木本食用油料树种，在维护国家粮油安全、发展绿色经济以及促进农民增收方面发挥重要作用。种子是油料植物的主要贮藏器官，决定着作物的产量和品质，而种子发育是一个复杂的过程，阐明种子大小的控制机制对提高作物产量有重要意义。茉莉酸甲酯（MeJA）是一种脂质来源的植物激素和信号分子，介导多种植物发育过程，并调节各种代谢产物的累积。基于MeJA的生物学功能，推测外源喷施MeJA可能调控油茶种子的生长发育过程，这可能是解决油茶低产低效问题的一条可行途径。

本研究使用不同浓度的外源MeJA（0.1、0.5、2.5和5 mmol/L）喷施整颗油茶树发现，与对照组相比，0.5 mmol/L MeJA处理效果最显著，使成熟期的鲜果重增加了41.1%、种子大小增加了29.13%、种子重量增加了31.81%，同时显著增加了油体的数量和体积，提高了含油率和不饱和脂肪酸含量，降低了饱和脂肪酸相对含量。然而，而高浓度的MeJA（5 mmol/L）具有明显地抑制作用。为了揭示这些观察到的现象背后的机制，利用石蜡切片技术从细胞水平揭示原因，发现外源0.5 mmol/L MeJA通过增加种子发育前期外种皮的细胞数量和面积而促进油茶种子发育早期种皮的迅速生长，同时增加种胚的细胞数量和面积而加快油茶种子发育进程，从而使得油茶种子变大。

图1 外源茉莉酸甲酯对油茶种子发育的影响

本研究采用转录组学分析和基因互作验证方法对茉莉酸甲酯调控油茶种子发育的分子机制开展研究，结果表明：响应MeJA调控的差异基因主要参与细胞壁发育、不饱和脂肪酸及类黄酮生物合成等过程。进一步分析发现MAPK信号通路、泛素-蛋白酶体信号通路和G-蛋白信号通路以及细胞周期、细胞增殖和细胞扩张相关基因参与了MeJA介导的种子增大。乙酰辅酶A羧基酶（ACC1）和生物素羧基载体蛋白2（BCCP2）是油脂积累的关键基因，其表达量受MeJA正向调控；同时，MeJA通过增加与脂肪酸生物合成相关基因的表达，抑制与脂肪酸降解相关基因的表达，促进了油茶种子中不饱和脂肪酸的累积。

图2响应MeJA调控种子大小的差异基因

图3响应MeJA调控油脂积累和脂肪酸生物合成的差异基因

进一步基于WGCNA发现，MYC2被鉴定为hub调控因子，并与种子大小相关的hub基因（CoCDKB2-3、CoCYCB2-3和CoXTH9）及油脂积累和脂肪酸生物合成相关的hub基因（CoACC1和CoFAD2-3）具有较强的关联性。采用酵母单杂交、凝胶迁移电泳和双荧光素酶实验，表明MeJA信号通路的重要开关基因CoMYC2正向调控种子大小（CoCDKB2-3、CoCYCB2-3和CoXTH9）及油脂积累（CoACC1）重要基因的转录，而抑制了CoFAD2-3的转录，从而调控油茶种子大小以及油脂和不饱和脂肪酸的积累。本研究以期为人工调控油茶果实发育从而提高其产量和品质提供科学依据。

图4 MeJA调控油茶种子大小及油脂累积和不饱和脂肪酸合成的模型

中南林业科技大学宋启玲博士为论文第一作者，中南林业科技大学袁德义教授和龚文芳副教授为论文共同通讯作者。本研究得到了国家重点研发计划项目（2018YFD1000603）、湖南省创新型省份建设专项资金（2021NK1007）、湖南省教育厅重点项目（20A524）、中南林业科技大学高级人才科学研究基金（2018YJ002）和湖南省研究生科研创新项目（CX20210853）的联合资助。

原文链接：https://doi.org/10.1021/acs.jafc.3c00059

转自：“iPlants”微信公众号

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