中國(guó)農(nóng)大新聞網(wǎng)訊 近日，Plant Cell 在線發(fā)表了中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院小麥研究中心題為 The transcription factor CAMTA2 interacts with the histone acetyltransferase GCN5 and regulates grain weight in wheat 的研究論文。該研究系統(tǒng)解析了轉(zhuǎn)錄因子 CAMTA2 通過(guò)與 GCN5 相互作用共同調(diào)控小麥籽粒大小和粒重的分子機(jī)制，并在自然群體中發(fā)現(xiàn)了 CAMTA2-AH3 優(yōu)異等位變異，為小麥高產(chǎn)分子育種提供了新的基因資源。

 

　　組蛋白乙?；怯山M蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶（HATs）和組蛋白去乙?；福℉DACs）調(diào)控的動(dòng)態(tài)可逆過(guò)程。GCN5 作為 HATs 的重要成員之一，負(fù)責(zé)將乙酰輔酶A（acetyl-CoA）中的乙?；鶊F(tuán)添加到組蛋白的特定賴(lài)氨酸位點(diǎn)建立乙?；揎?，使核小體結(jié)構(gòu)松弛，促進(jìn)各種轉(zhuǎn)錄因子和其他調(diào)控蛋白與  DNA 結(jié)合位點(diǎn)特異性結(jié)合，激活基因的轉(zhuǎn)錄。有研究報(bào)道，GCN5 在動(dòng)植物的表觀遺傳調(diào)控及染色質(zhì)結(jié)構(gòu)調(diào)整中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。然而，GCN5 在小麥籽粒發(fā)育特別是產(chǎn)量和品質(zhì)性狀形成中發(fā)揮的功能和分子機(jī)制尚不清楚。

 

 

　　該研究發(fā)現(xiàn) gcn5 基因敲除突變體籽粒粒寬與千粒重顯著降低，總淀粉含量顯著降低，谷蛋白含量降低。且與野生型相比，gcn5 基因敲除突變體中淀粉合成相關(guān)基因和 Glu 基因下調(diào)表達(dá)。繼續(xù)利用 CUT&Tag 和 ChIP-qPCR 實(shí)驗(yàn)，證明 GCN5 直接靶向調(diào)控淀粉合成基因 Sus2、SBElc 和 Glu 基因啟動(dòng)子區(qū)，通過(guò)建立這些基因啟動(dòng)子區(qū) H3K9ac 和 H3K14ac 修飾來(lái)促進(jìn)其表達(dá)進(jìn)而影響淀粉和貯藏蛋白積累。

 

　　CAMTA2-GCN5 復(fù)合體以不同機(jī)制調(diào)控淀粉和貯藏蛋白基因表達(dá)

 

　　為了進(jìn)一步研究 GCN5 調(diào)控小麥籽粒大小和粒重的分子機(jī)制，該研究篩選到一個(gè) GCN5 互作蛋白——鈣調(diào)蛋白轉(zhuǎn)錄因子 CAMTA2。酵母雙雜、體外 pull-down、免疫共沉淀（Co-IP）、雙分子熒光互補(bǔ)（BiFC）等實(shí)驗(yàn)證明 GCN5 與CAMTA2 存在互作關(guān)系。CAMTA2 在授粉后籽粒胚乳中表達(dá)量較高，且 CAMTA2 敲除后小麥籽粒粒寬、粒長(zhǎng)和千粒重降低，總淀粉含量減少，這與 gcn5 基因敲除突變體表型相似。轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析顯示，有17個(gè)淀粉合成通路基因在 gcn5 和 camta2 基因敲除突變體中同時(shí)下調(diào)表達(dá)。此外，凝膠遷移實(shí)驗(yàn)（EMSA）和 ChIP-qPCR 證明 CAMTA2 可直接結(jié)合 Sus2、SBElc 基因啟動(dòng)子區(qū)的 CGCG 元件，并招募  GCN5 建立 H3K9ac、H3K14ac 乙?；せ钇浔磉_(dá)，保證籽粒淀粉的正常積累，表明了 CAMTA2 和 GCN5 對(duì)籽粒千粒重和淀粉積累具有協(xié)同調(diào)節(jié)作用。

 

　　本實(shí)驗(yàn)室前期結(jié)果表明 GCN5 是貯藏蛋白的關(guān)鍵調(diào)控因子，本研究發(fā)現(xiàn) GCN5 突變后籽粒谷蛋白含量降低，干面筋含量降低，SDS-沉降值降低。為了探究 CAMTA2 是否通過(guò)招募 GCN5 共同調(diào)控 Glu 基因表達(dá)，該研究使用 GCN5 抗體進(jìn)行了 ChIP-qPCR 實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn) camta2 基因敲除突變體中，GCN5 在四個(gè) Glu 基因啟動(dòng)子區(qū)的富集程度均無(wú)明顯變化，這表明 CAMTA2 和 GCN5 在淀粉和貯藏蛋白積累中的調(diào)控機(jī)制不同。

 

　　最后，該研究利用445份小麥種質(zhì)資源對(duì) CAMTA2 等位變異進(jìn)行了分析，鑒定到 CAMTA2-A 在小麥自然群體中存在3種單倍型，且 Hap1 的分布頻率最高。EMSA 實(shí)驗(yàn)表明 Hap3 對(duì) Sus2 具有更強(qiáng)的結(jié)合能力，且考種結(jié)果顯示攜帶 Hap3 單倍型的材料籽粒更大，粒重更高。目前為止，Hap3 還未在育種中被廣泛應(yīng)用，該研究為小麥高產(chǎn)育種提供了可能的新的基因資源。并且開(kāi)發(fā)的分子標(biāo)記 KASP194 能夠成功區(qū)分 Hap3 和另外兩種單倍型，未來(lái)可用于小麥育種中的分子標(biāo)記輔助選擇。

 

　　近年來(lái)，一系列小麥粒重和品質(zhì)基因被克隆，但目前已報(bào)道的同時(shí)調(diào)控籽粒淀粉和貯藏蛋白積累的基因數(shù)目并不多。該研究揭示了 GCN5 在影響籽粒淀粉及貯藏蛋白積累方面的功能，并發(fā)現(xiàn)其通過(guò)建立靶基因啟動(dòng)子區(qū)域 H3K9ac 和 H3K14ac 修飾來(lái)調(diào)控靶基因的表達(dá)，豐富了我們對(duì)組蛋白乙?；谧蚜０l(fā)育調(diào)控中的功能的認(rèn)識(shí)。此外該研究還鑒定到其互作蛋白 CAMTA2，并系統(tǒng)解析了 CAMTA2-GCN5 復(fù)合體在淀粉和貯藏蛋白積累過(guò)程中的調(diào)控機(jī)制，為培育高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的小麥新品種提供了科學(xué)依據(jù)和理論支撐。

 

　　中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院小麥研究中心姚穎垠教授為論文通訊作者；已畢業(yè)博士張睿婕為論文第一作者；小麥研究中心孫其信院士、倪中福 教授、彭惠茹教授、劉杰教授、胡兆榮教授、杜金昆副研究員、辛明明教授，博士研究生張肖邦，已畢業(yè)碩士研究生安可心、張雪、張召衡，揚(yáng)州大學(xué)農(nóng)學(xué)院高玉姣博士，意大利農(nóng)業(yè)研究和經(jīng)濟(jì)委員會(huì)谷物研究中心 Vincenzo Rossi 教授，中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所肖軍研究員、博士研究生曹原參與了該研究工作。該研究得到了農(nóng)業(yè)生物育種國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)（2023ZD04069），四川省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2022YFSY0015），國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2020YFE0202300），國(guó)家自然科學(xué)基金（32125030，U22A20478），國(guó)家農(nóng)業(yè)重大科技項(xiàng)目（NK20220607），拼多多-中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)研究基金（PC2023A01003）的資助。

 

 

　　孫其信院士作為學(xué)術(shù)帶頭人的中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)小麥研究中心長(zhǎng)期圍繞多倍體小麥廣適性的遺傳基礎(chǔ)和分子機(jī)制、小麥產(chǎn)量性狀形成、小麥品質(zhì)性狀遺傳調(diào)控等一系列重要科學(xué)問(wèn)題開(kāi)展系統(tǒng)深入的研究。該團(tuán)隊(duì)在“十三五”期間共獲得國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，教育部高?？蒲袃?yōu)秀成果技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，中華農(nóng)業(yè)科技獎(jiǎng)優(yōu)秀創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)獎(jiǎng)1項(xiàng)；近5年在小麥研究方向發(fā)表Nature、Nature Communications、The Plant Cell、Molecular Plant 等高水平研究論文50余篇。