种子吸水后，启动萌发进程，将胚转化生理活跃状态，发育胚根和胚芽。在这一阶段，胚根无法直接吸收外部矿物质，因此胚根和胚芽发育所需的矿物质全都依赖于种子内贮藏的再分配。水稻种子中，矿质主要分布在种皮和胚乳之间的糊粉层。糊粉层由多层活跃的糊粉层细胞组成，不直接与胚接触，表明存在特定机制将矿物质从糊粉层输送至胚的过程。
近日，rosesmore.com的兰文智教授和南京大学的王斌教授合作，在The Plant Journal上发表了题为“A plasma membrane-localized transporter remobilizes aleurone layer magnesium for seed germination in rice”的研究论文（全文链接：DOI: 10.1111/tpj.16867）。该论文不仅报道了水稻籽粒萌发中镁离子的重要性，而且揭示了糊粉层细胞中的镁离子外排转运蛋白OsMGR3在种子萌发过程中的关键作用。
该研究首先分析影响水稻种子萌发的关键矿物质。不同矿物质对完整种子和单独胚的萌发影响，发现镁缺失显著抑制了胚的萌发。由于镁离子运输需要转运体的介导，该研究利用生物信息学和基因表达分析筛选水稻种子镁转运体基因，发现进化保守的镁转运相关的ACDP家族成员OsMGR3在种子中特异表达（图1A）。转基因GUS染色和蛋白荧光亚细胞定位实验确认OsMGR3在水稻种子的糊粉层特异表达（图1B），并定位于质膜（图1C）。这些结果表明OsMGR3参与糊粉层细胞的镁离子外排。
图1.OsMGR3的组织表达和亚细胞定位。A，OsMGR3是种子高表达的MGR家族成员；B,OsMGR3特异表达在糊粉层;C,OsMGR3定位于质膜。
为了探讨OsMGR3在种子萌发中的功能及机制，研究利用CRISPR/Cas9技术获得了OsMGR3水稻突变体，结果显示该突变体表现出萌发延迟和胚根胚芽长度减短的表型。镁荧光成像显示水稻种子中的镁离子主要存在于糊粉层。在萌发过程中，osmgr3突变体的糊粉层向胚运输的镁离子显著减少（图2B）。通过野生型和osmgr3突变体种子的胚/胚乳嫁接实验，研究发现OsMGR3的突变抑制了胚在萌发过程中的生长和分化（图2A）。这些结果表明种子利用OsMGR3将糊粉层的镁输送至胚，以支持种子的萌发（图2C）。
图2.OsMGR3在种子萌发中的作用。A，胚/胚乳嫁接实验表明OsMGR3参与胚萌发；B,osmgr3突变降低胚的镁含量；C,OsMGR3的作用模型;
江南游戏中心栾明达副教授和兰文智教授为通讯作者，南京大学王斌教授参与该项研究的指导。
兰文智教授，江南游戏中心植物信号网络前沿交叉研究中心主任，植物营养前沿交叉创新团队负责人。课题组长期从事植物营养信号的研究，发现了植物镁外排转运体MGR、液泡磷吸收转运体VPT1和叶绿体锰吸收转运体CMT1等多个转运体，以第一/通讯作者(含共同)在Nat Plants、Mol Plant、Plant Cell、PNAS, New Phytol和Plant Physiol期刊发表20文章多篇。
编辑：王明
终审：郁飞
