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研究团队发现玉米籽粒发育与灌浆协同调控中心因子

2020-11-26 14:14

  近期,中国科学院分子植物科学卓越创新中心研究员巫永睿课题组在Plant Cell上,在线发表了题为The B3 Domain-Containing Transcription Factor ZmABI19 Coordinates Expression of Key Factors Required for Maize Seed Development andGrain Filling的研究论文。研究发现,调控玉米胚乳和胚储藏物质合成的多个重要转录因子同时受到上游转录因子ZmABI19的调控;此外,ZmABI19还通过调控多个植物激素相关因子来调控玉米籽粒早期发育。Plant Cell同时在线发表题了为A Hub of Hubs: the Central Role of ZmABI19 in the Regulatory Network of Maize Grain Filling的评论文章,称ZmABI19是玉米籽粒灌浆调控网络核心因子中的核心因子。

  胚乳发育和储藏物质合成受到复杂且精密的遗传网络调控。目前,学界已报道了多个转录因子直接调控储藏物质合成,如O2、PBF1、ZmbZIP22、MADS47、NAC128/130、OHP1/2、O11等,其中,O2、PBF1、ZmbZIP22、NAC128/130和O11为胚乳特异表达的转录因子,暗示这些转录因子本身可能受到某些上游因子的共同调控。O2属于bZIP家族转录因子,调控较多醇溶蛋白基因表达;O2直接调控淀粉合成途径关键基因SSIII、PPDKs及蔗糖合酶编码基因Sh1、Sus1和Sus2表达,它使储藏物质合成从底物到产物的代谢途径中受到高度协同的转录调控。O2是胚乳灌浆调控的关键转录因子,克隆和解析O2上游调控基因及分子机制对破解胚乳灌浆起始信号具有重要意义。

  研究人员利用不同长度的O2启动子做转录活性实验,发现起始密码子上游400-500 bp位置上有多个DNA顺式结合元件,其中,两个RY-motif及中间的一个O2-box结构和双子叶植物拟南芥种子中的储藏蛋白基因启动子调控元件相似。已有报道证明,O2能自激活自身启动子,因此,识别RY-motif的B3转录因子可能就是要寻找的O2上游转录因子。玉米基因组预测有51个B3转录因子,其中37个在玉米籽粒中表达。研究人员利用酵母单杂技术对这37个B3转录因子进行逐个验证,通过EMSA和转录激活实验,发现只有ZmABI19能够识别并转录激活O2启动子,而且当两个RY-motif同时存在时,才能发挥最大转录活性。ZmABI19的转录和蛋白水平在籽粒早期表达时最高,灌浆开始后表达水平下降,胚中的mRNA水平显著高于胚乳,暗示ZmABI19在籽粒早期发育和灌浆期均发挥作用,而且可能同时调控胚和胚乳发育。

  拟南芥胚胎发生(embryogenesis)及种子成熟(seed maturation)受到一个叫作LAFL的核心调控网络调控,即由三个B3家族转录因子LEAFY COTYLEDON 2(LEC2)、ABSCISIC ACID INSENSITIVE 3(ABI3)和FUSCA3(FUS3),以及一个HAP3家族CCAAT-box结合因子(LEC1)构成。其中,ABI3是玉米viviporous 1(VP1)的同源蛋白,氨基酸序列保守,功能可以彼此互补。然而,FUS3和LEC2在单双子叶植物间的序列变异较大,FUS3在玉米中同源关系最近的是ZmABI19,但相似性只有24.6%,且主要集中在B3结构域。拟南芥的胚乳在种子发育早期就已降解,种子在成熟时只含一层胚乳细胞,因此,FUS3同源蛋白在玉米胚乳中的调控功能尚不清楚。

  研究人员通过CRISPR-Cas9技术,获得了多个zmabi19突变体,发现纯合突变体中O2基因的mRNA和蛋白水平剧烈下降,下游醇溶蛋白基因表达也随之明显下降,这在遗传上证明ZmABI19直接调控O2转录因子表达进而参与灌浆调控。由于PBF1能够显著增强O2的转录激活、且表达模式和O2几乎完全一致,研究人员发现,ZmABI19也能够通过识别RY-motif直接调控Pbf1表达。zmabi19纯合突变体籽粒的胚乳和胚均发育均异常,成熟籽粒变小并粉质,不能萌发。RNA-seq表明,zmabi19在胚乳中显著影响营养储存库活动(Nutrient reservoir activity)及淀粉和糖代谢途径,在胚中影响植物激素信号转导及脂肪代谢。联合转录组(RNA-seq)和染色质免疫共沉淀(ChIP-seq)分析发现,ZmABI19不仅调控O2和Pbf1,还直接调控其它多个胚乳特异表达的调控灌浆的转录因子(ZmbZIP22,O11,NAC130),胚乳基底转运层定位的糖转运蛋白基因SWEET4c。此外,ZmABI19还直接调控胚发育与盾片储藏物质合成的核心转录因子Vp1及多个植物激素相关因子。上述研究表明,ZmABI19是协同籽粒早期发育与灌浆起始的核心转录因子。

  分子植物卓越中心博士后杨桃和博士生郭亮星为论文的共同第一作者,巫永睿为论文通讯作者,副研究员王海海、王婕琛,博士生冀晨、郑喜喜、肖俏合作参与了研究工作。研究工作得到中科院战略性先导科技专项和国家自然科学基金项目的资助。

分子植物卓越中心发现玉米籽粒发育与灌浆协同调控中心因子