《PLOS Biology》：Dynamic auxin maxima regulate male-to-hermaphrodite conversion and de novo meristem formation in the fern Ceratopteris gametophytes
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本研究揭示了蕨類植物Ceratopteris配子體性別轉(zhuǎn)換的新機(jī)制：去除雄器素后，局部生長素生物合成通過CrTAA1基因動(dòng)態(tài)建立生長素信號(hào)最大值，特異性激活分生組織祖細(xì)胞（MPC）譜系，驅(qū)動(dòng)單細(xì)胞起源的多細(xì)胞分生組織從頭形成。CRISPR-Cas9基因編輯證實(shí)CrTAA1是性別轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵調(diào)控因子，為陸生植物生殖發(fā)育進(jìn)化提供了新見解。
生長素信號(hào)在Ceratopteris雌雄同體和雄性發(fā)育及雄性向雌雄同體轉(zhuǎn)換過程中的動(dòng)態(tài)變化
通過DR5合成啟動(dòng)子標(biāo)記生長素信號(hào)活性，研究發(fā)現(xiàn)Ceratopteris雌雄同體配子體的分生組織區(qū)域存在明顯的生長素信號(hào)梯度，峰值位于分生組織缺刻中心。而在雄性配子體中，DR5信號(hào)較弱且分散于精子器發(fā)育區(qū)域。當(dāng)雄性配子體從含雄器素條件轉(zhuǎn)移到無雄器素培養(yǎng)基后，48小時(shí)內(nèi)可在特定位置檢測(cè)到新的DR5信號(hào)峰值，該位置隨后發(fā)育為新生分生組織。
生長素生物合成對(duì)雄性向雌雄同體轉(zhuǎn)換至關(guān)重要
利用L-酮戊二酸（Kyn）抑制TAA1介導(dǎo)的生長素生物合成，發(fā)現(xiàn)150μM Kyn處理可顯著抑制性別轉(zhuǎn)換（成功率從93%降至10%）。時(shí)間序列成像顯示Kyn處理阻斷了DR5信號(hào)最大值的形成，并抑制MPC譜系的起始和增殖。CRISPR-Cas9構(gòu)建的CrTAA1敲除突變體（crtaa1-1和crtaa1-2）出現(xiàn)相同表型，證實(shí)生長素生物合成是性別轉(zhuǎn)換的必要條件。
生長素生物合成在分生組織形成過程中MPC建立和細(xì)胞增殖中的作用
通過pCrUBQ10::H2B-GFP轉(zhuǎn)基因系進(jìn)行單細(xì)胞分辨率譜系追蹤，發(fā)現(xiàn)mock處理樣本中單個(gè)MPC可增殖形成完整分生組織（>53次分裂），而Kyn處理或CrTAA1突變體中細(xì)胞分裂事件顯著減少（<20次）。12小時(shí)間隔的細(xì)胞分裂圖譜顯示，正常轉(zhuǎn)換過程中分裂活動(dòng)逐漸局限于MPC譜系，而抑制生長素生物合成則導(dǎo)致分裂模式紊亂。
雄性向雌雄同體轉(zhuǎn)換過程中CrTAA1的動(dòng)態(tài)表達(dá)模式
系統(tǒng)發(fā)育分析確認(rèn)CrTAA1（Ceric.10G039800）是擬南芥TAA1直系同源基因。qPCR顯示CrTAA1在雌雄同體中的表達(dá)量從5DAG起顯著高于雄性。pCrTAA1::H2B-GFP報(bào)告基因顯示，在性別轉(zhuǎn)換初期（3DAT），CrTAA1表達(dá)特異性出現(xiàn)于新生分生組織起始位點(diǎn)，隨后（9DAT）局限于分生組織缺刻中心，與DR5信號(hào)模式高度重合。
穩(wěn)定基因編輯證明CrTAA1在性別轉(zhuǎn)換和分生組織形成中的關(guān)鍵作用
兩個(gè)CrTAA1 CRISPR突變體（crtaa1-1和crtaa1-2）在exon1分別產(chǎn)生移碼突變，導(dǎo)致蛋白提前終止。突變體在無雄器素條件下無法完成性別轉(zhuǎn)換（90%以上保持雄性狀態(tài)），且缺乏新生分生組織形成。YUC家族抑制劑yucasin處理產(chǎn)生類似表型，證實(shí)TAA1-YUC通路在蕨類性別決定中的保守功能。
討論
本研究首次揭示局部生長素生物合成是蕨類配子體性別轉(zhuǎn)換的“分子開關(guān)”。去除雄器素后，CrTAA1介導(dǎo)的生長素最大值通過激活MPC譜系驅(qū)動(dòng)分生組織從頭發(fā)生，該機(jī)制與苔蘚（Marchantia）和種子植物的分生組織調(diào)控具有進(jìn)化保守性。DR5信號(hào)在雌性器官（頸卵器）的持續(xù)表達(dá)提示生長素可能同時(shí)調(diào)控配子體性器官分化，這為理解陸生植物生殖策略進(jìn)化提供了新視角。
