【一作解读】TPJ-中科院遗传发育所张爱民课题组与河北农业大学刘冬成团队合作,在小麦储藏蛋白表达调控上取得新进展

作为小麦胚乳的重要组分，储藏蛋白赋予面团粘弹特性，是决定面粉加工品质的重要因素。除了亚基的组成，储藏蛋白的含量也影响面粉的加工品质。储藏蛋白在胚乳中合成和积累。其合成主要受转录水平的调控。目前为止，人们仅鉴定了少数几个储藏蛋白基因的转录调控因子（主要为转录因子），如SPA、WPBF和GAMYB。鉴定更多的转录调控因子，甚至在全基因组水平上，一直是小麦面粉加工品质研究的目标之一。

研究人员推测转录调控因子和储藏蛋白基因在胚乳的灌浆过程中应该是共表达的。因此，共表达分析不失为一种鉴定储藏蛋白基因转录调控因子的方法。另外，近年来陆续公布的普通小麦及其近缘种的基因组数据使得全基因组水平的共表达分析成为可能。

首先利用六倍体的普通小麦和四倍体的二粒小麦灌浆期胚乳的转录组数据，试图通过共表达分析来鉴定储藏蛋白基因的转录调控因子。在这两个多倍体小麦中，单个基因具有多个拷贝，而每个拷贝的表达存在偏差，这就使得共表达分析非常复杂。例如，同一个基因的一个拷贝和储藏蛋白基因共表达，而其它的拷贝则不同。因此，认为多倍体小麦可能不是共表达分析的理想材料。

乌拉尔图小麦是普通小麦A基因组的供体。其高质量的基因组序列已经发布。另外，在乌拉尔图小麦基因组中，每个基因理论上仅有一个拷贝。较多倍体小麦，乌拉尔图小麦更为适合用于全基因组共表达分析。在前期的工作中，课题组鉴定了乌拉尔图小麦基因组中几乎所有的储藏蛋白基因 （Luo et al., 2015; Zhang et al., 2015）。此外，人们从乌拉尔图小麦的全基因组中预测得到了1238个转录因子（http://planttfdb.cbi.pku.edu.cn）。这使得在全基因组水平鉴定和储藏蛋白基因共表达的转录因子成为可能。

在本研究中，研究人员选取乌拉尔图小麦整个灌浆过程中不同时期的胚乳做转录组分析（图1）。确定了基因组中所有储藏蛋白基因和1238个转录因子在整个灌浆期的表达模式。共表达分析显示，所有的储藏蛋白基因聚在了同一分支C1 （图2）。同时，共有71个转录因子由于和储藏蛋白基因共表达而聚类在了C1分支。这些转录因子有可能是储藏蛋白基因的转录调控因子。

图1 乌拉尔图小麦整个灌浆过程不同时期的籽粒。DPA: day post anthesis.

 

图2 共有71个转录因子和储藏蛋白基因一起聚类在分支C1。

 

为了验证共表达分析的可行性，我们从71个候选转录因子中随机选取了四个转录因子TRIUR3_22986、TRIUR3_25137、TRIUR3_27104 和TRIUR3_33098做进一步的功能验证。当在小麦的原生质体和未成熟胚乳中瞬时过表达时，四个转录因子都可以提高储藏蛋白基因的启动子活性（图3）。这暗示它们参与了储藏蛋白基因的表达调控并可能是正调控因子。

图3当在小麦的原生质体（上图）和未成熟胚乳（下图）中瞬时过表达时，TRIUR3_22986 （b）、TRIUR3_25137（c）、TRIUR3_27104 （d）和TRIUR3_33098（e）都可以提高储藏蛋白基因的启动子活性。本实验将单个转录因子的过表达载体和包含储藏蛋白基因启动子连接GFP的报告载体共转化小麦的原生质体和未成熟胚乳。图（a）转化的是空载体。

接下来，我们从上面的四个转录因子中随机选取TRIUR3_25137做进一步的分析。因编码NAC77蛋白，TRIUR3_25137被命名为TuNAC77。EMSA实验表明TuNAC77与储藏蛋白基因的启动子结合（图4a）。双荧光素酶报告基因检测分析显示TuNAC77上调储藏蛋白基因启动子的活性 （图4b）。 

图4 EMSA实验表明TuNAC77与储藏蛋白基因的启动子结合（a）。双荧光素酶报告基因检测分析显示TuNAC77上调储藏蛋白基因启动子的活性（b）。

从乌拉尔图小麦过渡到普通小麦，我们对TuNAC77在普通小麦中的同源基因TaNAC77进行了功能验证。双荧光素酶报告基因检测分析表明，TaNAC77上调储藏蛋白基因启动子的活性。另外，TaNAC77在未成熟胚乳中的瞬时过表达可以提高储藏蛋白基因的转录水平。抑制TaNAC77的表达后，RNA干扰株系籽粒中的储藏蛋白含量降低了24% （图5）。以上结果都表明TaNAC77在普通小麦中促进储藏蛋白的合成。

图5 和野生型相比，TaNAC77的RNA干扰株系籽粒中的储藏蛋白含量显著降低了（a和b），种子宽度也减小了（c）。

 

基于本研究中的共表达分析，课题组还鉴定了另外两个储藏蛋白基因的转录调控因子TuSPR（Shen et al., 2021）和TuODORANT1 （Luo et al., 2021）。和储藏蛋白一样，小麦籽粒中的淀粉也主要在灌浆期的胚乳中合成。本研究鉴定的这些候选转录因子也可能参与了淀粉的合成调控。例如，课题组之前的工作表明和储藏蛋白基因共表达的转录因子TubZIP28也参与了淀粉的合成调控 （Song et al., 2020）。后期，我们将对本研究中鉴定的其它候选转录因子进行功能研究。另外，我们还计划研究这些转录因子间的互作，以期解析储藏蛋白基因表达调控的网络。

 

这项工作于近日发表在The Plant Journal上（https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/tpj.15538）。该工作是在遗传发育所张爱民研究员和河北农大刘冬成教授的共同指导下，主要由遗传发育所罗光彬和申丽莎博士、华大基因赵山岑博士和加州大学河滨分校李瑞东博士完成。特别感谢遗传发育所高彩霞研究员和王延鹏研究员在实验上给予的指导和帮助。

  

参考文献

Luo, G., Zhang, X., Zhang, Y. et al. Composition, variation, expression and evolution of low-molecular-weight glutenin subunit genes in Triticum urartu. BMC Plant Biol 15, 68. https://doi.org/10.1186/s12870-014-0322-3

Zhang Y, Luo G, Liu D, Wang D, Yang W, et al. (2015) Genome-, transcriptome- and proteome-wide analyses of the gliadin gene families in Triticum urartu. PLOS ONE 10(7): e0131559. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0131559

Song, Y., Luo, G., Shen, L., Yu, K., Yang, W., Li, X., Sun, J., Zhan, K., Cui, D., Liu, D. and Zhang, A. (2020), TubZIP28, a novel bZIP family transcription factor from Triticum urartu, and TabZIP28, its homologue from Triticum aestivum, enhance starch synthesis in wheat. New Phytol, 226: 1384-1398. https://doi.org/10.1111/nph.16435

Shen, L., Luo, G., Song, Y., Xu, J., Ji, J., Zhang, C., Gregová, E., Yang, W., Li, X., Sun, J., Zhan, K., Cui, D., Liu, D.and Zhang, A. (2021) A novel NAC family transcription factor SPR suppresses seed storage protein synthesis in wheat. Plant Biotechnol J, https://doi.org/10.1111/pbi.13524  

Luo, G., Shen, L., Song, Y., Yu, K., Ji, J., Zhang, C., Yang, W., Li, X., Sun, J., Zhan, K., Cui, D., Wang, Y., Gao, C., Liu, D.and Zhang, A. (2021) The MYB family transcription factor TuODORANT1 from Triticum urartu and the homolog TaODORANT1 from Triticum aestivum inhibit seed storage protein synthesis in wheat. Plant Biotechnol J, https://doi.org/10.1111/pbi.13604 

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