B-GATA轉錄因子的基因結構與系統進化

本研究聚焦于B類GATA轉錄因子家族，該家族蛋白以其保守的鋅指結構域識別G-A-T-A核心序列而著稱。與動物和真菌基因組中僅編碼少量GATA因子不同，陸生植物中GATA基因家族顯著擴張。在維管植物擬南芥中，B類GATA因子可進一步劃分為含有HAN結構域和LLM結構域的兩個亞類。然而，這種劃分在苔蘚植物中并不適用。研究顯示，苔蘚植物小立碗蘚（Physcomitrium patens）編碼的四個B-GATA因子（PpB-GATA1至PpB-GATA4）以及地錢（Marchantia polymorpha）的單個B-GATA因子均同時包含HAN和LLM結構域，暗示著陸生植物祖先B-GATA可能同時擁有這兩個結構域。系統進化分析表明，小立碗蘚的四個B-GATA成員彼此親緣關系更近，提示該基因家族在苔蘚與地錢分化后發生了擴張。

小立碗蘚B-GATA突變體的構建與表征

為探究PpB-GATAs的生物學功能，研究團隊利用CRISPR/Cas9基因編輯技術成功創制了PpB-GATA1、PpB-GATA3和PpB-GATA4的單突變、雙突變以及三突變體。盡管經過多次嘗試，未能獲得PpB-GATA2的突變體。全基因組測序確認了突變位點并評估了背景變異，最終選擇背景干凈的Ppb-gata1-3/3-2/4-3三突變體（下文簡稱為Ppb-gata1/3/4）用于后續深入分析。

B-GATA因子是原絲體生長和色素生物合成所必需的

在含有銨鹽（NH₄⁺）和硝酸鹽（NO₃^-）的培養基上，所有Ppb-gata突變體均表現出植株擴展面積顯著減少的表型，這主要歸因于原絲體生長的受損。值得注意的是，Ppb-gata1/3/4三突變體的葉綠素（Chl）和類胡蘿卜素含量顯著低于野生型，這與擬南芥和地錢中B-GATA突變體的表型相似，表明B-GATA因子在調控光合色素合成方面的功能在植物進化中是保守的。

Ppb-gata突變體氮誘導的原絲體形成缺陷

小立碗蘚的生長始于孢子萌發形成絲狀原絲體，原絲體由葉綠絲體和軸絲體組成，其后產生葉狀配子體。當野生型小立碗蘚在同時含有NO₃^-和NH₄⁺的培養基上生長時，植株擴展和原絲體形成顯著增強。然而，Ppb-gata1/3/4三突變體完全喪失了這種氮誘導的原絲體形成能力。進一步細胞學分析顯示，突變體中原絲體細胞類型（葉綠絲體和軸絲體）的比例與野生型并無顯著差異，表明突變體特異性地損傷了氮信號觸發的原絲體形成 initiation，而非細胞類型分化本身。

PpB-GATA1過表達產生與功能缺失突變體相反的表型

為了進一步驗證B-GATA的功能，研究構建了PpB-GATA1的過表達株系。與三突變體色素含量降低相反，過表達株系表現出葉綠素和類胡蘿卜素含量顯著增加。然而，過表達株系在兩種氮條件下均體型變小，且植株圓度增加，這與增強的原絲體發育相關。有趣的是，即使在僅含NO₃^-的培養基上，過表達株系也表現出更高的圓度，提示PpB-GATAs可能獨立于NH₄⁺有效性而促進原絲體發育。

Ppb-gata突變體積累細胞分裂素

先前研究表明，細胞分裂素水平升高會抑制小立碗蘚的植株擴展。對Ppb-gata1/3/4三突變體的細胞分裂素定量分析揭示，其體內多種細胞分裂素形式，如異戊烯基腺嘌呤（iP）、反式玉米素（tZ）及其核苷酸前體的含量顯著高于野生型。這表明突變體中細胞分裂素穩態失衡，高水平細胞分裂素可能至少部分解釋了其生長抑制表型。

氮代謝與吸收在Ppb-gata三突變體中未受損

為探究生長缺陷是否源于氮代謝或碳氮平衡改變，研究測定了野生型和突變體植株的總氮、總碳含量及碳氮比，未發現顯著差異。短期¹⁵N標記實驗表明，突變體的氮吸收速率與野生型無異。在氮饑餓后復氮處理實驗中，突變體組織內的銨離子（NH₄⁺）含量顯著低于野生型，而硝酸鹽（NO₃^-）含量低于檢測限，提示突變體可能具有增強的NH₄⁺同化能力或改變了氮代謝流向。

Ppb-gata突變體表現出嚴重的氮響應轉錄程序缺陷

RNA-seq轉錄組分析揭示了Ppb-gata1/3/4三突變體在氮響應性轉錄調控上的嚴重缺陷。在野生型中，氮處理1小時和4小時后分別鑒定出6005和10183個差異表達基因（DEGs）。然而，在突變體中，分別有57%（1小時）和27-28%（4小時）的野生型氮響應基因不再響應氮信號。這些B-GATA依賴的基因集富集于生物過程調控、細胞周期進程、細胞分裂等功能類別。其中包括多個與氮信號、激素信號（如乙烯受體ETR1/ETR2、生長素響應因子ARFs）、鈣信號（Ca²⁺依賴蛋白激酶）、染色質重塑（SWI/SNF因子）以及細胞壁修飾（木葡聚糖內轉葡糖苷酶XET）相關的基因。對氮轉運、代謝及信號轉導相關基因表達的分析進一步證實，突變體中多個關鍵基因（如高親和硝酸鹽轉運蛋白PpNRT2.1、銨轉運蛋白PpAMT1、硝酸還原酶PpNIA1、谷氨酰胺合成酶PpGS2等）的氮響應模式發生改變。同時，PpB-GATA1, PpB-GATA2和PpB-GATA3本身的表達受氮誘導上調，而PpB-GATA4表達下調，表明它們自身也是氮調控的靶標。

基因表達分析為色素和細胞分裂素表型提供解釋

對葉綠素和細胞分裂素生物合成及信號通路相關基因的表達分析發現，在Ppb-gata1/3/4突變體中，多個葉綠素合成基因（如HEME、CHLI、PORA）表達下調，這為其葉綠素含量降低提供了分子解釋。同時，多個細胞分裂素生物合成基因（IPT、LOG）和分解代謝基因（CKX），以及兩個細胞分裂素受體基因（PpCHK2, PpCHK3）的表達在突變體中發生改變，這可能是其細胞分裂素水平升高的原因。

擬南芥LLM-domain B-GATA突變體同樣表現出氮響應生長缺陷

將研究擴展至模式植物擬南芥，研究人員發現，缺失兩個主要LLM-domain B-GATA基因（GNC和GNL）的gnc gnl雙突變體，以及缺失全部六個LLM-domain B-GATA基因的gata hex六突變體，在富含氮素的土壤或施肥條件下，其蓮座叢大小和鮮重增長均顯著弱于野生型。gata hex突變體的莖頂端分生組織（SAM）面積也顯著減小。分裂根實驗表明，野生型在局部供氮條件下會在氮充足側表現出補償性的側根生長，而這種系統性的氮響應在gata hex突變體中嚴重受損，但在gnc gnl中仍部分保留。

擬南芥gata hex突變體細胞分裂素水平升高且氮含量增加

對擬南芥gata hex突變體的生理分析顯示，其體內總細胞分裂素水平升高，主要表現為反式玉米素（tZ）型細胞分裂素的增加。盡管細胞分裂素水平升高，突變體卻表現出生長抑制，暗示其可能存在細胞分裂素信號響應缺陷。元素分析發現，gata hex突變體幼苗在氮饑餓后具有更高的總氮含量和硝酸鹽（NO₃^-）積累，但碳氮比降低。短期¹⁵N吸收實驗未顯示突變體氮吸收能力受損，表明其氮含量增加可能源于氮同化或代謝的改變。

擬南芥gata hex突變體氮響應轉錄嚴重受損

與苔蘚中的發現一致，擬南芥gata hex突變體的轉錄組分析揭示了廣泛的氮響應轉錄程序缺陷。在野生型中響應氮信號的眾多基因，在突變體中不再發生差異表達。這些B-GATA依賴的基因涉及氧氣供應、細胞壁合成、細胞骨架、葉綠素分解代謝、質體組織等多個生物學過程。特別值得注意的是，與細胞分裂素信號通路相關的大量基因在gata hex突變體中表達上調，這與其細胞分裂素水平升高但生長響應減弱的表型相符，進一步支持了B-GATA因子在細胞分裂素信號傳導中的重要地位。

討論與展望

本研究系統闡明了B-GATA轉錄因子在苔蘚和擬南芥中調控氮素響應性生長的保守功能。盡管苔蘚和維管植物B-GATA因子的結構域組成存在差異，但它們在同介導氮依賴的生長、色素合成以及細胞分裂素穩態方面表現出驚人的功能相似性。突變體中氮響應轉錄程序的廣泛破壞，以及氮代謝相關基因表達的紊亂，將B-GATA因子置于氮信號網絡的核心位置。尤為重要的是，本研究在兩種進化上遠緣的植物物種中均發現了B-GATA突變體伴隨細胞分裂素水平升高和信號通路基因表達改變的現象，強烈提示B-GATA是連接氮素營養信號與細胞分裂素介導的生長調控的關鍵環節。這項工作不僅證實了長期推測的植物GATA因子在氮代謝中的作用，更揭示了其作為一種古老且保守的機制，在陸生植物適應陸地環境、協調營養感知與生長發育過程中的深遠意義。未來的研究需要進一步闡明B-GATA因子如何直接調控下游靶基因，以及它們與已知氮信號核心組分（如NLPs等）之間的相互作用關系。