摘要：花粉是植物的雄配子体，而有活力的花粉是维持植物繁衍和作物产量的基础。近日，复旦大学复杂性状的遗传调控全国重点实验室常芳团队在JIPB在线发表了题为"CLE19 suppresses brassinosteroid signaling output via th

花粉是植物的雄配子体，而有活力的花粉是维持植物繁衍和作物产量的基础。近日，复旦大学复杂性状的遗传调控全国重点实验室常芳团队在JIPB在线发表了题为"CLE19 suppresses brassinosteroid signaling output via the BSL-BIN2 module to maintain BES1 activity and pollen exine patterning in Arabidopsis "的研究论文(https://doi.org/10.1111/jipb.70024)。该研究首次揭示了CLE小肽激素与油菜素内酯 (BR) 间的拮抗作用，并阐明了它们如何通过“翻译后修饰”精细调控关键转录因子BES1的活性，从而保障花粉外壁 (exine) 的正常发育和生殖稳态。

花粉外壁是维持雄性育性和植物繁殖成功的关键结构，既能抵御外界环境胁迫，又承担着花粉-柱头识别等重要功能。其精巧外壁结构依赖于花粉母细胞/小孢子与绒毡层细胞之间的精妙交流。一旦调控失衡，就会导致花粉败育，直接威胁作物产量与繁殖能力。常芳教授团队前期发现，绒毡层通过细胞内部一系列精密调控的“前馈-正反馈-刹车”机制来维持花粉壁发育的稳态：一方面，绒毡层细胞中的门控转录因子DYT1与其下游的bHLH010/089/091转录因子间通过“前馈”和“正反馈”环路精准而迅速地启动绒毡层中孢粉素前体物质的合成 (Zhu et al., 2015; Cui et al., 2016)；另一方面，咖啡酰辅酶A-O-甲基转移酶1 (CCoAOMT1) 通过翻译后水平调控bHLH010/bHLH089的出核和降解，从而降低其活性 (Lai et al., 2024,)。与此同时，为了防止绒毡层转录网络过度激活而导致的孢粉素前体物质过量堆积，小孢子来源的CLE19及其同源小肽信号作为反馈信号，通过激活其位于绒毡层细胞膜上的PXL1-SERKs受体-共受体复合物，将绒毡层转录网络的水平维持在正常水平，从而最终保障花粉正常发育 (Wang et al., 2017; Yu et al., 2023, 2025)。

那么，细胞外信号CLE19小肽及其受体共受体如何完成从膜到核的信号传递？在这一过程中CLE小肽激素与其它传统激素信号有无信号交互呢？该研究工作回答了上述问题：小孢子分泌的CLE19小肽及其受体PXL1通过调控一个被大家广为熟知的BSLs-BIN2-BES1功能模块而发挥作用。与BR通过BSU1抑制BIN2进而使BES1维持在细胞核内的非磷酸化活性状态不同，CLE19及其受体则通过BSU1-like1/2/3 (简称BSL1/2/3)-BIN2模块来激活转录因子BES1的S219和S223位点的磷酸化“标签”，进而促进其出细胞核降解，并最终抑制花粉壁合成相关下游基因表达。BR和CLE19两种信号一个作为“油门”激活BES1活性，另一个则作为“刹车”抑制其活性，两者的动态平衡共同保障花粉壁正常发育。

该研究首先通过定量磷酸蛋白组分析，发现CLE19会影响多个BR信号转导组分的磷酸化，包括BSL型磷酸酶BSL1/2/3、GSK3样激酶BIN2和转录因子BES1。为了阐释两条信号途径的相关性，课题组详细分析了BR信号各层级信号元件的功能失活型和功能获得型突变体的花粉发育表型，并与CLE19过表达和功能失活型遗传材料的表型进行对比分析，发现所有激活BR输出的 (BR-output) 的突变体，均表现出和CLE19功能缺失的突变体相似的表型；而所有BR输出被抑制的突变体，均表现出与CLE19信号过表达植株相似的表型。暗示了两个信号不仅均参与花粉壁发育过程，且作用方向相反。进一步的转录组分析也支持了这个结论：在428个BR和CLE19共同的核心下游基因中，86.7%被两信号反向调控 (图1)。

图1. CLE19 与 BR 在花粉壁发育中发挥拮抗功能

那么，CLE19小肽信号和BR激素信号是如何拮抗调控花粉发育的呢？课题组进一步研究发现，CLE19小肽并不影响BR的合成，也不破坏BR-BRI-SERK1配基受体复合物的活性。而是通过CLE19受体PXL1招募BSL1/2/3并激活后者的磷酸化，进而通过依赖BSL1/2/3和BIN2的方式激活BES1两个丝氨酸残基 (S219/S223) 的磷酸化。通过构建不能磷酸化 (phosphor-dead，S-A) 和模拟磷酸化 (phosphor-mimic，S-D) 两种形式的BES1变体，并对转基因植株进行功能分析，进一步证实了依赖于CLE19的磷酸化激活了BES1的核输出和降解，抑制了花粉外植体花型所需的BR响应转录输出，从而最终抑制下游与花粉壁发育相关关键转录因子MYB35、AMS及合成酶基因的表达 (图2)。

图2. BSLs-BIN2-BES1调控模块是花粉壁正常发育所必需的

综上所述，团队的研究结果定义了一个全新的双信号机制，其中CLE19小肽由发育中的花粉产生，并作为一种可扩散的“分子制动剂”，通过BSL2-BIN2-BES1信号传导轴抑制BR信号的输出，并最终抑制绒毡层转录网络的过度激活，确保绒毡层功能的稳定性。该研究将小孢子产生的多肽与绒毡层内的BR激素信号紧密联系，从机理上揭示了植物生殖过程中如何通过细胞间信号整合来维持发育的稳健性 (图3)。

图3. CLE19与BR共同调控花粉发育稳态的工作模型

复旦大学生命科学学院博士后王双双 (现华东师范大学副研究员)、博士研究生张诗婷、博士后余英为论文的共同第一作者，常芳教授为通讯作者。中国农业大学宋文教授、美国罗格斯大学董娟教授、广州大学黎家教授、北京大学刘春明教授、美国宾州州立大学马红教授、复旦大学博士后叶娟英、复旦大学博士研究生王健正、刘叶乔，硕士生王静雅、李梦雨等也参与了该研究。研究工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金以及博士后科学基金的支持。

常芳教授团队：课题组主要关注植物生殖发育与抗逆。通过利用传统生化、细胞、遗传学方法，结合多组学联合分析及合成生物学等，系统解析植物雄性生殖细胞发生和发育的调控机制、环境胁迫下的育性维持机制等问题。研究成果发表于Nature Communications, Plant Cell, Molecular Plant, JIPB, Current Opinion of Plant Biology 等国际植物学前沿期刊。欢迎有志于植物生殖发育研究的研究生和博士后加入。课题组主页：https://life.fudan.edu.cn/dd/53/c28175a318803/page.htm

参考文献：

Yu, Y., Song, W., Zhai, N., Zhang, S., Wang, J., Wang, S., Liu, W., Huang, CH., Ma, H., Chai, J., Chang F. (2023). PXL1 and SERKs act as receptor-coreceptor complexes for the CLE19 peptide to regulate pollen development. Nat Commun.14, 3307.

Wang, S., Lu, J., Song, X-F., Ren, S-C., You, C., Xu, J., Liu, C-M., Ma, H., Chang, F. (2017). Cytological and Transcriptomic Evidence Reveal Important Roles of CLE19in Pollen Exine Formation.Plant Physiol.175:1186-1202.

Yu, Y., Zhang, S., Chang, F. (2025). CLE peptides: key regulators of plant development and stress adaption. Seed Biology4: e009.

Lai, Z., Wang, J., Fu, Y., Wang, M., Ma, H., Peng, S-Q., Chang, F. (2024). Revealing the role of CCoAOMT1: fine-tuning bHLH transcription factors for optimal anther development. Sci. China Life Sci.2024,67(3):565-578.

Cui, J., You, C., Zhu, E., Huang, Q., Ma, H., Chang, F. (2016). Feedback Regulation of DYT1 by Interactions with Downstream bHLH Factors Promotes DYT1 Nuclear Localization and Anther Development. Plant Cell2016, 28:1078-1093.

Lai, Z., Wang, J., Peng, S., Chang, F. (2022). bHLH010/089 Transcription Factors Control Pollen Wall Development via Specific Transcriptional and Metabolic Networks in Arabidopsis thaliana. Int. J. Mol. Sci. 23, 11683.

Zhu, E., You, C., Wang, S., Cui, J., Niu, B., Wang, Y., Qi, J., Ma, H., Chang, F. (2015). The DYT1-interacting proteins bHLH010, bHLH089, and bHLH091 are redundantly required for Arabidopsisanther development and transcriptome.Plant J.2015, 83:976-990.

文章引用：

Wang, S., Zhang, S., Yu, Y., Wang, J., Wang, J., Li, M., Lu, J.,Ye, J., Li, H., Liu, Y., et al. (2025). CLE19 suppresses brassinosteroid signaling output via the BSL‐BIN2 moduleto maintain BES1 activity and pollen exine patterning in Arabidopsis. J. Integr. Plant Biol. https://doi.org/10.1111/jipb.70024

来源：科学培训