种子铁是植物幼苗和动物铁营养的主要来源，也是人类膳食铁的重要来源。植物母体在结实过程中将铁运送进入种子加以储存，然而过量的铁又会对细胞产生毒害。目前已有报道揭示在种子发育早期铁的装载受到限制【1】，然而植物是如何调控早期种子铁的装载，以及这一过程的生物学意义，至今仍然不清楚。
该研究首先观察到拟南芥基因INO的两个knockdown T-DNA插入突变体其种子铁含量显著提高并具有明显的耐缺铁表型，而INO过表达株系种子铁含量则比野生型显著减少（图1）。进一步研究发现，INO主要在种子发育早期的外珠被及种皮中特异性表达，并且INO对种子铁含量的调控具有母体效应。通过对公共转录组数据库的挖掘分析，研究人员找到了潜在受INO调控的下游基因NRAMP1，其编码一个铁锰转运蛋白【2】。研究人员分别从转录和蛋白水平上证明了NRAMP1在种子发育早期受到INO的抑制，并且通过LUC转录激活实验，MST，EMSA以及ChIP等方法证明了转录因子INO与NRAMP１启动子的直接结合。同时，研究人员发现ino nramp双突变体能完全回复ino单突变体种子铁含量多的表型，从遗传学上证明了两者的上下游关系。最后，研究人员发现，ino突变体种子具有较低的结实率，这种现象在高铁供给的条件下更为严重。进一步发现，ino的种子败育主要缘于胚胎发育时期铁的过度累积所致，铁的过度装载导致ROS的大量累积从而造成胚细胞死亡，而这些均可以被nramp1突变所抑制。该研究阐明了种子发育早期铁装载受到限制的分子机制，并且揭示了该过程的生物学意义。
图1. INO调控种子铁含量
值得一提的是，该研究组在2020年报道了种子发育中后期铁累积的调控机制【3】。综合两项研究得出，在拟南芥种子发育早期，INO通过在种皮中直接调控铁转运蛋白基因NRAMP1的表达来限制铁的过量装载，从而大幅减少由于铁过量累积所引起的胚细胞氧化损伤，进而保护种子胚胎发育的顺利进行；而在种子发育中后期，INO的表达明显降低，同时荚果中乙烯的合成显著提高。乙烯含量的增加，促使乙烯信号核心调控因子EIN3的大量累积，进而使EIN3下游靶标基因ERF95的表达明显提高。转录因子ERF95进一步直接调控种子铁蛋白基因FER1的表达，从而协助更多的铁装载入胚细胞的液泡中进行存储（图2）。
图2. 植物种子铁累积的调控机制
该论文于2021年6月8日在植物科学高影响力期刊Molecular Plant上在线发表（https://www.cell.com/molecular-plant/fulltext/S1674-2052(21)00217-3）。我院博士研究生孙鹂为该论文的第一作者，丁忠杰研究员和郑绍建教授为该论文通讯作者，牛津大学的Nicholas Harberd院士也参与了该研究。研究得到国家重点研发计划、浙江省自然科学基金等项目的资助。
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