被子植物的花是植物演化中的重要創新性狀。花一般由萼片、花瓣、雄蕊和雌蕊組成，其中雌蕊是最重要的雌性生殖器官。在長期演化過程中，雌蕊形成複雜的結構以順利完成有性生殖過程。雌蕊頂端包括柱頭和花柱，是接收花粉、促進花粉萌發和生長以完成雙受精的關鍵門戶，與農作物的産量密切相關。雌蕊頂端精細結構是如何形成的？到目前為止，對該科學問題的研究還相對較少。

2024年4月，beat365官方网站秦跟基課題組在國際著名植物學專業期刊Plant Cell上發表了題為“Arabidopsis transcription factor TCP4 controls the identity of the apical gynoecium”的論文，揭示了轉錄因子TCP4（TEOSINTE BRANCHED 1/CYCLOIDEA/PCF 4）與雌蕊頂端發育的關鍵轉錄因子CRC（CRABS CLAW）、NGAs（NGATHAs）形成轉錄激活複合體，直接調控生長素合成基因YUCCAs（YUCs）的表達，進而控制雌蕊頂端命運的分子機制。

秦跟基教授課題組長期從事植物重要轉錄因子家族TCP的功能研究，該實驗室前期通過遺傳雜交和基因組定點敲除技術構建了敲除TCP功能的七重突變體tcpSEP（the tcp septuple mutant, tcp2 tcp3 tcp4 tcp5 tcp10 tcp13 tcp17）和十二重突變體tcpDUO（the tcp duodecuple mutant, tcp2 tcp3 tcp4 tcp5 tcp10 tcp13 tcp17 tcp24 tcp1 tcp12 tcp18 tcp16），發現TCP 轉錄因子調控表皮毛細胞命運（Lan et al., Plant Physiol, 2021）、調控花瓣葉綠體向白質體轉變從而調控花瓣顔色（Zheng et al., Plant Communi, 2022）以及在高溫下保護胚珠命運不向心皮轉變的重要功能（Lan et al., Nature Communi, 2023）。在此基礎上，該課題組對tcpDUO進行了進一步詳細分析，發現tcpSEP和tcpDUO突變體具有更長更窄的花柱（圖1A-1C）。CRC是已知的控制雌蕊頂端的關鍵轉錄因子。在tcpDUO背景下，用基因組定點敲除技術進一步敲除了CRC構建了十三重複突變體tcpDUO crc。有意思的是，雖然tcpDUO和crc均能形成柱頭和花柱，但tcpDUO crc的雌蕊頂端的花柱和柱頭被一種無限生長的未知結構所代替（圖1D）。為解析TCP和CRC協同控制雌蕊頂端命運的分子機制，通過收集野生型、tcpDUO和crc的雌蕊頂端進行轉錄組測序分析，發現TCP和CRC協同調控了多個重要基因，包括控制雌蕊頂端的NGA基因。進一步在tcpDUO背景下敲除三個NGA基因的功能構建十五重突變體tcpDUO nga1 nga2 nga4，發現tcpDUO nga1 nga2 nga4的柱頭和花柱也消失了，取而代之的是與tcpDUO crc雌蕊頂端類似的結構。通過生化分析發現TCP4與CRC以及NGA均相互作用，并發現TCP4可直接結合到分枝相關基因EXB1的啟動子區負調控EXB1的表達；TCP4還直接結合到生長素合成關鍵酶的基因YUC2啟動子區來正調控YUC2表達。

圖1. TCP轉錄因子控制雌蕊頂端命運決定。（A）野生型的雌蕊頂端結構。（B）tcpSEP突變體的雌蕊頂端結構。（C）tcpDUO突變體的雌蕊頂端結構。（D）tcpDUO crc突變體的雌蕊結構。（E）TCP轉錄因子調控雌蕊頂端命運決定的工作模型。TCP4直接結合EXB1或NGAs的啟動子，EXB1受到TCP4的負調控，NGAs被TCP4或TCP4-CRC複合體正調控，NGAs上調SSS2基因的表達，EXB1的下調和SSS2的上調共同導緻花柱伸長受到抑制。同時，TCP4和CRC可獨立上調或與NGAs形成複合物共同上調YUCs的表達，從而調控頂端雌蕊的命運決定。

該成果不僅闡明了TCP轉錄因子在調控雌蕊頂端命運中的重要新功能，還揭示了其分子作用機制，即TCP4和CRC共同表達在雌蕊頂端，TCP4獨立或與CRC形成複合體促進NGA基因的表達。TCP4可抑制EXB1的表達，NGA蛋白直接結合到SSS2的啟動子區，促進SSS2表達，共同調控花柱伸長。TCP4和CRC分别獨立或與NGAs形成多聚轉錄激活複合體促進YUC等基因表達，協同調控生長素的原位合成和極性運輸，在雌蕊頂端形成生長素梯度，進而控制雌蕊頂端的命運決定（圖1D）。該成果完善了雌蕊頂端形成的分子調控網絡，對深入理解植物生殖器官形成的精細調控機制具有重要意義。植物通過這種轉錄級聯調控網絡對較複雜植物器官的形成進行精細調控，使植物快速、高效、準确地形成功能結構。

beat365官方网站博士後王宇濤和博士生王甯為該論文的共同第一作者。beat365官方网站秦跟基教授為該論文的通訊作者。beat365官方网站已畢業的蘭婧秋博士（現為中國科學院遺傳與發育生物學研究所曹曉風院士課題組博士後）、beat365官方网站陳雪梅教授以及中國科學院東北地理與農業生态研究所馮獻忠研究員也做了重要貢獻。該工作得到了國家自然科學基金、中國博士後科學基金面上項目、北京大學蛋白質與植物基因研究國家重點實驗室以及西南聯合研究生院的支持。

全文鍊接：https://academic.oup.com/plcell/advance-article/doi/10.1093/plcell/koae107/7641784。