研究團隊發現玉米籽粒發育與灌漿協同調控中心因子

　　近期，中國科學院分子植物科學卓越創新中心研究員巫永睿課題組在Plant Cell上，在線發表了題為The B3 Domain-Containing Transcription Factor ZmABI19 Coordinates Expression of Key Factors Required for Maize Seed Development andGrain Filling的研究論文。研究發現，調控玉米胚乳和胚儲藏物質合成的多個重要轉錄因子同時受到上游轉錄因子ZmABI19的調控；此外，ZmABI19還通過調控多個植物激素相關因子來調控玉米籽粒早期發育。Plant Cell同時在線發表題了為A Hub of Hubs: the Central Role of ZmABI19 in the Regulatory Network of Maize Grain Filling的評論文章，稱ZmABI19是玉米籽粒灌漿調控網絡核心因子中的核心因子。

　　胚乳發育和儲藏物質合成受到復雜且精密的遺傳網絡調控。目前，學界已報道了多個轉錄因子直接調控儲藏物質合成，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錄因子，暗示這些轉錄因子本身可能受到某些上游因子的共同調控。O2屬于bZIP家族轉錄因子，調控較多醇溶蛋白基因表達；O2直接調控淀粉合成途徑關鍵基因SSIII、PPDKs及蔗糖合酶編碼基因Sh1、Sus1和Sus2表達，它使儲藏物質合成從底物到產物的代謝途徑中受到高度協同的轉錄調控。O2是胚乳灌漿調控的關鍵轉錄因子，克隆和解析O2上游調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啟動子做轉錄活性實驗，發現起始密碼子上游400-500 bp位置上有多個DNA順式結合元件，其中，兩個RY-motif及中間的一個O2-box結構和雙子葉植物擬南芥種子中的儲藏蛋白基因啟動子調控元件相似。已有報道證明，O2能自激活自身啟動子，因此，識別RY-motif的B3轉錄因子可能就是要尋找的O2上游轉錄因子。玉米基因組預測有51個B3轉錄因子，其中37個在玉米籽粒中表達。研究人員利用酵母單雜技術對這37個B3轉錄因子進行逐個驗證，通過EMSA和轉錄激活實驗，發現只有ZmABI19能夠識別并轉錄激活O2啟動子，而且當兩個RY-motif同時存在時，才能發揮最大轉錄活性。ZmABI19的轉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在籽粒早期發育和灌漿期均發揮作用，而且可能同時調控胚和胚乳發育。

　　擬南芥胚胎發生（embryogenesis）及種子成熟（seed maturation）受到一個叫作LAFL的核心調控網絡調控，即由三個B3家族轉錄因子LEAFY COTYLEDON 2（LEC2）、ABSCISIC ACID INSENSITIVE 3（ABI3）和FUSCA3（FUS3），以及一個HAP3家族CCAAT-box結合因子（LEC1）構成。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，FUS3和LEC2在單雙子葉植物間的序列變異較大，FUS3在玉米中同源關系最近的是ZmABI19，但相似性只有24.6%，且主要集中在B3結構域。擬南芥的胚乳在種子發育早期就已降解，種子在成熟時只含一層胚乳細胞，因此，FUS3同源蛋白在玉米胚乳中的調控功能尚不清楚。

　　研究人員通過CRISPR-Cas9技術，獲得了多個zmabi19突變體，發現純合突變體中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直接調控O2轉錄因子表達進而參與灌漿調控。由于PBF1能夠顯著增強O2的轉錄激活、且表達模式和O2幾乎完全一致，研究人員發現，ZmABI19也能夠通過識別RY-motif直接調控Pbf1表達。zmabi19純合突變體籽粒的胚乳和胚均發育均異常，成熟籽粒變小并粉質，不能萌發。RNA-seq表明，zmabi19在胚乳中顯著影響營養儲存庫活動（Nutrient reservoir activity）及淀粉和糖代謝途徑，在胚中影響植物激素信號轉導及脂肪代謝。聯合轉錄組（RNA-seq）和染色質免疫共沉淀（ChIP-seq）分析發現，ZmABI19不僅調控O2和Pbf1，還直接調控其它多個胚乳特異表達的調控灌漿的轉錄因子（ZmbZIP22，O11，NAC130），胚乳基底轉運層定位的糖轉運蛋白基因SWEET4c。此外，ZmABI19還直接調控胚發育與盾片儲藏物質合成的核心轉錄因子Vp1及多個植物激素相關因子。上述研究表明，ZmABI19是協同籽粒早期發育與灌漿起始的核心轉錄因子。

　　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略性先導科技專項和國家自然科學基金項目的資助。

分子植物卓越中心發現玉米籽粒發育與灌漿協同調控中心因子