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种子萌发是高等植物生活史中最重要的环节之一,是由种皮破裂、胚乳破裂和胚根突出等一系列生理事件组成的复杂生理过程。在拟南芥(Arabidopsis thaliana)中,种子萌发通常定义为胚根从种皮中的突出。子叶转绿(cotyledon greening)在种子萌发结束后发生,这一生理过程标志着有机体获得光合能力,从自养型生长向异养型生长转变的完成。种子萌发与子叶转绿受到遗传、生理和环境等因素的协同调控,而植物激素是整合、协调种子萌发过程中上述因素的关键生长调节因子。在种子萌发和子叶转绿过程中,脱落酸(abscisic acid,ABA)和赤霉素(gibberellin,GA)是起主导作用的植物激素。ABA抑制种子萌发和子叶转绿,而GA促进上述生长发育过程。在拟南芥中,编码bZIP(basic leucinezipper)家族转录因子的ABI5(ABA INSENSITIVE5)是抑制种子萌发的关键因子,其蛋白稳定性受到KEG(KEEP ON GOING)的负调控,后者编码RING家族E3连接酶,可以介导ABI5蛋白被26S蛋白酶体降解。除此之外,其它植物激素也参与调控种子萌发,包括细胞分裂素(cytokinin)。细胞分裂素促进种子萌发,且其对种子萌发的调控可能是通过拮抗ABA的作用实现的。尽管如此,细胞分裂素和ABA相互作用调控种子萌发的分子机制未知。
在本研究中,我们发现细胞分裂素特异地拮抗ABA对拟南芥(Arabidopsis thaliana)子叶转绿的抑制作用。在受体突变体cre1(cytokinin response1)和wol(wooden leg)中,细胞分裂素在子叶转绿过程中对ABA的拮抗作用减弱,表明这种拮抗作用依赖于细胞分裂素信号转导途径。我们发现细胞分裂素可以快速诱导KEEP ON GOING(KEG)基因的表达,而ABA INSENSITIVE5(ABI5)蛋白水平则受到细胞分裂素的负调控。与之一致,KEG基因启动子区域含有多个B型ARR(ARABIDOPSIS RESPONSEREGULATOR)的结合位点,后者是细胞分裂素信号通路中起正调控作用的关键因子。我们将KEG基因启动子区域中可能的B型ARR结合位点进行点突变,并使点突变后的启动子驱动KEG基因,转化keg突变体,发现所有的转基因都能互补突变体的表型。尽管如此,我们发现有些转基因植物在子叶转绿及细胞分裂素诱导KEG基因表达和ABI5蛋白降解过程中对细胞分裂素的响应能力降低。为进一步阐明细胞分裂素和ABA之间的相互作用,我们利用候选基因筛选方法鉴定得到ARR21特异性的参与细胞分裂素在子叶转绿过程中对ABA的拮抗。与转基因的结果一致,染色质免疫共沉淀实验表明ARR21可以直接结合到KEG基因启动子区域的顺式作用元件上。此外,arr21突变体和ARR21过表达转基因植物在子叶转绿过程中对细胞分裂素的响应能力分别降低和升高。上述结果揭示了细胞分裂素拮抗脱落酸从而调控种子萌发后期生长发育的一条遗传途径,该线性途径包括细胞分裂素受体、ARR21、KEG和ABI5等组分,从而为阐明细胞分裂素-脱落酸互作的分子机理提供了新的线索。