（2020.11.24 中科院分子植物卓越中心）

2020年11月23日，國際知名學(xué)術(shù)期刊Plant Cell在線發(fā)表了中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心巫永睿研究組題為“The B3 Domain-Containing Transcription Factor ZmABI19 Coordinates Expression of Key Factors Required for Maize Seed Development andGrain Filling”的研究論文。該研究發(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)因子調(diào)控玉米籽粒早期發(fā)育。Plant Cell同時在線發(fā)表評論文章題為“A Hub of Hubs： the Central Role of ZmABI19 in the Regulatory Network of Maize Grain Filling”，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)雜而又精密的遺傳網(wǎng)絡(luò)調(diào)控。目前已報道了多個轉(zhuǎn)錄因子直接調(diào)控儲藏物質(zhì)合成，比如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)錄因子本身也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)控絕大多數(shù)醇溶蛋白基因表達。O2還直接調(diào)控淀粉合成途徑關(guān)鍵基因SSIII、PPDKs以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)物的代謝途徑上受到高度協(xié)同的轉(zhuǎn)錄調(diào)控。O2是胚乳灌漿調(diào)控的一個關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子，克隆和解析O2上游調(diào)控基因及分子機制是破解胚乳灌漿起始信號的重要突破口。

巫永睿研究組利用不同長度的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)控元件非常相似。前人已有報道O2能自激活自身啟動子，那么識別RY-motif的B3轉(zhuǎn)錄因子很可能就是要尋找的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。巫永睿研究組利用酵母單雜技術(shù)對這37個B3轉(zhuǎn)錄因子進行逐個驗證，然后通過EMSA和轉(zhuǎn)錄激活實驗，最終發(fā)現(xiàn)只有ZmABI19能識別并轉(zhuǎn)錄激活O2啟動子，而且當(dāng)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，而且胚中的mRNA水平顯著高于胚乳，暗示ZmABI19在籽粒早期發(fā)育和灌漿期都有作用，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）受到一個稱之為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就是玉米viviporous 1（VP1）的同源蛋白，氨基酸序列保守，功能也可以彼此互補。然而，F(xiàn)US3和LEC2在單雙子葉植物間的序列變異卻非常大，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%，而且主要集中在B3結(jié)構(gòu)域。擬南芥的胚乳在種子發(fā)育早期就降解了，種子在成熟時只含有一層胚乳細胞，因此FUS3同源蛋白在玉米胚乳中的調(diào)控功能并不清楚。

巫永睿研究組通過CRISPR-Cas9技術(shù)獲得多個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，這在遺傳上證明了ZmABI19直接調(diào)控O2轉(zhuǎn)錄因子表達而參與灌漿調(diào)控。由于PBF1能顯著增強O2的轉(zhuǎn)錄激活并且表達模式和O2幾乎完全一致，巫永睿研究組發(fā)現(xiàn)ZmABI19也能通過識別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）以及淀粉和糖代謝途徑，在胚中影響植物激素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)以及脂肪代謝。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。另外，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以及多個植物激素相關(guān)因子。以上研究表明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。

中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心博士后楊桃和博士生郭亮星為本研究論文共同第一作者，副研究員王海海、王婕琛，博士生冀晨、鄭喜喜、肖俏合作參與了該項研究工作。中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心巫永睿研究員為通訊作者。研究工作得到了中科院先導(dǎo)和國家自然科學(xué)基金項目的資助。