Pectin methylesterase inhibitors GhPMEI53 and AtPMEI19 improve seed germination by modulating cell wall plasticity in cotton and Arabidopsis

发芽 果胶 拟南芥 细胞壁 植物 可塑性 化学 生物 园艺 细胞生物学 生物化学 材料科学 基因 突变体 复合材料
作者
Yayue Pei,Yakong Wang,Zhenzhen Wei,Ji Liu,Yonghui Li,Shuya Ma,Ye Wang,Fuguang Li,Jun Peng,Zhi Wang
出处
期刊:Journal of Integrative Agriculture [Elsevier BV]
卷期号:23 (10): 3487-3505 被引量:3
标识
DOI:10.1016/j.jia.2024.03.036
摘要

The germination process of seeds is influenced by the interplay between two opposing factors: pectin methylesterase (PME) and pectin methylesterase inhibitor (PMEI), which collectively regulate patterns of pectin methylesterification. Despite the recognized importance of pectin methylesterification in seed germination, the specific mechanisms that govern this process remain unclear. In this study, we demonstrated that the overexpression of GhPMEI53 is associated with a decrease in PME activity and an increase in pectin methylesterification. This leads to the softening of the cell wall in seeds, which positively regulates cotton seed germination. AtPMEI19, the homologue in Arabidopsis thaliana, plays a similar role in seed germination to GhPMEI53, indicating a conserved function and mechanism of PMEI in seed germination regulation. Further studies revealed that GhPMEI53 and AtPMEI19 directly contribute to promoting radicle protrusion and seed germination by inducing cell wall softening and reducing mechanical strength. Additionally, the pathways of ABA and GA in the transgenic materials underwent significant changes, suggesting that GhPMEI53/AtPMEI19-mediated pectin methylesterification serves as a regulatory signal for the related phytohormones involved in seed germination. In summary, GhPMEI53 and its homologs alter the mechanical properties of cell walls, influencing the mechanical resistance of the endosperm or testa. Moreover, they impact cellular phytohormone pathways (e.g., ABA, GA) to regulate seed germination. These findings enhance our understanding of pectin methylesterification in cellular morphological dynamics and signaling transduction, and contribute to a more comprehensive understanding of the PME/PMEI super-gene family in plants.
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