近期，中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心研究員巫永睿課題組在Plant Cell上，在線發(fā)表了題為The B3 Domain-Containing Transcription Factor ZmABI19 Coordinates expression of Key Factors Required for Maize Seed Development andGrain Filling的研究論文。研究發(fā)現(xiàn)，調(diào)控玉米胚乳和胚儲藏物質(zhì)合成的多個重要轉(zhuǎn)錄因子同時受到上游轉(zhuǎn)錄因子ZmABI19的調(diào)控；此外，ZmABI19還通過調(diào)控多個植物激素相關(guān)因子來調(diào)控玉米籽粒早期發(fā)育。Plant Cell同時在線發(fā)表題了為A Hub of Hubs: the Central Role of ZmABI19 in the Regulatory Network of Maize Grain Filling的評論文章，稱ZmABI19是玉米籽粒灌漿調(diào)控網(wǎng)絡(luò)核心因子中的核心因子。
胚乳發(fā)育和儲藏物質(zhì)合成受到復(fù)雜且精密的遺傳網(wǎng)絡(luò)調(diào)控。目前，學(xué)界已報道了多個轉(zhuǎn)錄因子直接調(diào)控儲藏物質(zhì)合成，如O2、PBF1、ZmbZIP22、MADS47、NAC128/130、OHP1/2、O11等，其中，O2、PBF1、ZmbZIP22、NAC128/130和O11為胚乳特異表達的轉(zhuǎn)錄因子，暗示這些轉(zhuǎn)錄因子本身可能受到某些上游因子的共同調(diào)控。O2屬于bZIP家族轉(zhuǎn)錄因子，調(diào)控較多醇溶蛋白基因表達；O2直接調(diào)控淀粉合成途徑關(guān)鍵基因SSIII、PPDKs及蔗糖合酶編碼基因Sh1、Sus1和Sus2表達，它使儲藏物質(zhì)合成從底物到產(chǎn)物的代謝途徑中受到高度協(xié)同的轉(zhuǎn)錄調(diào)控。O2是胚乳灌漿調(diào)控的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子，克隆和解析O2上游調(diào)控基因及分子機制對破解胚乳灌漿起始信號具有重要意義。
研究人員利用不同長度的O2啟動子做轉(zhuǎn)錄活性實驗，發(fā)現(xiàn)起始密碼子上游400-500 bp位置上有多個DNA順式結(jié)合元件，其中，兩個RY-motif及中間的一個O2-box結(jié)構(gòu)和雙子葉植物擬南芥種子中的儲藏蛋白基因啟動子調(diào)控元件相似。已有報道證明，O2能自激活自身啟動子，因此，識別RY-motif的B3轉(zhuǎn)錄因子可能就是要尋找的O2上游轉(zhuǎn)錄因子。玉米基因組預(yù)測有51個B3轉(zhuǎn)錄因子，其中37個在玉米籽粒中表達。研究人員利用酵母單雜技術(shù)對這37個B3轉(zhuǎn)錄因子進行逐個驗證，通過EMSA和轉(zhuǎn)錄激活實驗，發(fā)現(xiàn)只有ZmABI19能夠識別并轉(zhuǎn)錄激活O2啟動子，而且當兩個RY-motif同時存在時，才能發(fā)揮最大轉(zhuǎn)錄活性。ZmABI19的轉(zhuǎn)錄和蛋白水平在籽粒早期表達時最高，灌漿開始后表達水平下降，胚中的mRNA水平顯著高于胚乳，暗示ZmABI19在籽粒早期發(fā)育和灌漿期均發(fā)揮作用，而且可能同時調(diào)控胚和胚乳發(fā)育。
擬南芥胚胎發(fā)生（embryogenesis）及種子成熟（seed maturation）受到一個叫作LAFL的核心調(diào)控網(wǎng)絡(luò)調(diào)控，即由三個B3家族轉(zhuǎn)錄因子LEAFY COTYLEDON 2（LEC2）、ABSCISIC ACID INSENSITIVE 3（ABI3）和FUSCA3（FUS3），以及一個HAP3家族CCAAT-box結(jié)合因子（LEC1）構(gòu)成。其中，ABI3是玉米viviporous 1（VP1）的同源蛋白，氨基酸序列保守，功能可以彼此互補。然而，F(xiàn)US3和LEC2在單雙子葉植物間的序列變異較大，F(xiàn)US3在玉米中同源關(guān)系最近的是ZmABI19，但相似性只有24.6%，且主要集中在B3結(jié)構(gòu)域。擬南芥的胚乳在種子發(fā)育早期就已降解，種子在成熟時只含一層胚乳細胞，因此，F(xiàn)US3同源蛋白在玉米胚乳中的調(diào)控功能尚不清楚。
研究人員通過CRISPR-Cas9技術(shù)，獲得了多個zmabi19突變體，發(fā)現(xiàn)純合突變體中O2基因的mRNA和蛋白水平劇烈下降，下游醇溶蛋白基因表達也隨之明顯下降，這在遺傳上證明ZmABI19直接調(diào)控O2轉(zhuǎn)錄因子表達進而參與灌漿調(diào)控。由于PBF1能夠顯著增強O2的轉(zhuǎn)錄激活、且表達模式和O2幾乎完全一致，研究人員發(fā)現(xiàn)，ZmABI19也能夠通過識別RY-motif直接調(diào)控Pbf1表達。zmabi19純合突變體籽粒的胚乳和胚均發(fā)育均異常，成熟籽粒變小并粉質(zhì)，不能萌發(fā)。RNA-seq表明，zmabi19在胚乳中顯著影響營養(yǎng)儲存庫活動（Nutrient reservoir activity）及淀粉和糖代謝途徑，在胚中影響植物激素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)及脂肪代謝。聯(lián)合轉(zhuǎn)錄組（RNA-seq）和染色質(zhì)免疫共沉淀（ChIP-seq）分析發(fā)現(xiàn)，ZmABI19不僅調(diào)控O2和Pbf1，還直接調(diào)控其它多個胚乳特異表達的調(diào)控灌漿的轉(zhuǎn)錄因子（ZmbZIP22，O11，NAC130），胚乳基底轉(zhuǎn)運層定位的糖轉(zhuǎn)運蛋白基因SWEET4c。此外，ZmABI19還直接調(diào)控胚發(fā)育與盾片儲藏物質(zhì)合成的核心轉(zhuǎn)錄因子Vp1及多個植物激素相關(guān)因子。上述研究表明，ZmABI19是協(xié)同籽粒早期發(fā)育與灌漿起始的核心轉(zhuǎn)錄因子。
分子植物卓越中心博士后楊桃和博士生郭亮星為論文的共同第一作者，巫永睿為論文通訊作者，副研究員王海海、王婕琛，博士生冀晨、鄭喜喜、肖俏合作參與了研究工作。研究工作得到中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項和國家自然科學(xué)基金項目的資助。
分子植物卓越中心發(fā)現(xiàn)玉米籽粒發(fā)育與灌漿協(xié)同調(diào)控中心因子
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