揭示玉米胚乳灌漿調(diào)控新機(jī)制(2020.2.1 BioArt植物)

2020年1月31日，中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心/植物生理生態(tài)研究所巫永睿課題組團(tuán)隊(duì)在Plant Biotechnology Journal 在線發(fā)表題為“Transactivation of Sus1 and Sus2 by Opaque2 is an essential supplement to sucrose synthase-mediated endosperm filling in maize”的研究論文。該論文進(jìn)一步拓展了Opaque2 （O2）作為玉米胚乳灌漿調(diào)控網(wǎng)絡(luò)核心轉(zhuǎn)錄因子的作用范圍，揭示其可以調(diào)控胚乳儲(chǔ)藏物質(zhì)合成起始單元生成所需基因的協(xié)同表達(dá)。

o2突變體發(fā)現(xiàn)于上世紀(jì)二十年代，在過去近一百年的研究歷程中，它見證了玉米遺傳學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、生化與分子生物學(xué)及組學(xué)的蓬勃發(fā)展與應(yīng)用。在這一百年里，前四十年它一直默默無聞，后六十年成為了玉米領(lǐng)域研究中炙手可熱的基因之一。1964年，它在沉寂中，鳳凰涅槃，浴火重生，一出場(chǎng)便作為高賴氨酸突變體發(fā)表在Science【1】，1965年的動(dòng)物飼養(yǎng)實(shí)驗(yàn)證明它的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值優(yōu)良后又發(fā)表在Science【2】。自此，科學(xué)家對(duì)它的研究分成了兩條路線：優(yōu)質(zhì)蛋白玉米的育種和o2的分子機(jī)理研究。1987年，O2 基因被克隆，這成為玉米甚至是植物中最早被克隆的基因之一，使其再次登上Science雜志【3】。在O2基因被克隆之前，其育種應(yīng)用已經(jīng)取得了重大突破。o2是粉質(zhì)胚乳，不能直接應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，國(guó)際玉米小麥改良中心從o2群體中不斷篩選積累o2修飾因子（o2 modifiers， Mo2s）把粉質(zhì)胚乳恢復(fù)成硬質(zhì)胚乳，同時(shí)保持它的高賴氨酸性狀，這就是優(yōu)質(zhì)蛋白玉米（Quality Protein Maize， QPM），并于2000年獲得世界糧食獎(jiǎng)（World Food Prize）。這個(gè)故事說明如果是好基因，育種家是不會(huì)等到基因被克隆才去利用它的。

O2是胚乳特異的bZIP轉(zhuǎn)錄因子，調(diào)控了絕大多數(shù)醇溶蛋白基因表達(dá)。在o2突變體中醇溶蛋白含量大量下降，而其它富含賴氨酸的優(yōu)質(zhì)蛋白補(bǔ)償性地上升，這樣不僅使籽?？偟鞍姿交静蛔儯屹嚢彼峥偤恳搽S之大幅度增加，所以O(shè)2一直被標(biāo)簽化為醇溶蛋白基因家族的特異調(diào)控因子。然而，育種家在使用o2材料進(jìn)行育種時(shí)發(fā)現(xiàn)它的產(chǎn)量總是比普通玉米低，好的品種才可以勉強(qiáng)達(dá)到普通玉米水平，但其內(nèi)在機(jī)制一直未被揭示。巫永睿課題組近年來發(fā)現(xiàn)O2除了調(diào)控醇溶蛋白基因外，還調(diào)控淀粉合成直接相關(guān)的淀粉合成酶III等基因的表達(dá)【4】。這就說明了O2可能是玉米胚乳灌漿調(diào)控網(wǎng)絡(luò)上的一個(gè)核心轉(zhuǎn)錄因子。雖然通過ChiP-seq和RNA-seq相偶聯(lián)的方法解析了O2轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)【5， 6】，但它的基因遺傳互作及整個(gè)調(diào)控通路的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)還有很多科學(xué)問題不清楚。

巫永睿課題組希望通過正向遺傳學(xué)篩選能加重o2表型的突變體，即o2增強(qiáng)子（o2 enhancer， oen）。我們知道o2已經(jīng)是非常粉質(zhì)的突變體，o2增強(qiáng)子的單基因突變可能會(huì)有表型，但在o2背景下這種表型有可能會(huì)被掩蓋，因此難以在大群體中被篩選出來。巫永睿課題組采用前面講到的o2突變體的硬質(zhì)版本——優(yōu)質(zhì)蛋白玉米作為親本進(jìn)行誘變。如果o2增強(qiáng)子突變破壞了優(yōu)質(zhì)蛋白玉米的胚乳修飾，那么其修飾的硬質(zhì)胚乳又會(huì)重新變成粉質(zhì)胚乳。通過大量EMS化學(xué)誘變，他們篩選到了一個(gè)在優(yōu)質(zhì)蛋白玉米K0326Y背景下呈現(xiàn)粉質(zhì)表型且灌漿嚴(yán)重不足的突變體oen1。當(dāng)oen1導(dǎo)入到普通玉米W64A背景中時(shí)，單突表型是硬質(zhì)的，但籽粒種冠是塌陷的，內(nèi)部有較大中空，而o2 和oen1的雙突變體完全粉質(zhì)且籽粒形成很大中空。雙突變體的淀粉和醇溶蛋白合成比兩個(gè)單突變體都受到了更大的影響，說明oen1增強(qiáng)了o2表型。

通過基因克隆，巫永睿課題組發(fā)現(xiàn)Oen1編碼的是玉米一個(gè)已知基因Shrunken1（Sh1）。那么Sh1怎么會(huì)成為o2的增強(qiáng)子呢？在灌漿期，光合作用產(chǎn)生的蔗糖進(jìn)入胚乳后要通過蔗糖合酶（sucrose synthase， SUS）的作用分解為果糖和UDP-葡萄糖，然后進(jìn)入淀粉合成途徑或者其它代謝途徑，蛋白質(zhì)合成途徑所需氨基酸的碳骨架也要由這兩種單糖的下游衍生物轉(zhuǎn)化而來。玉米基因組中蔗糖合酶由三個(gè)基因編碼：Sh1，Sus1和Sus2，其中Sh1 是酶活性的主要貢獻(xiàn)者。巫永睿課題組發(fā)現(xiàn)O2對(duì)三個(gè)Sus基因都有轉(zhuǎn)錄激活功能，其中對(duì)Sus1和Sus2的轉(zhuǎn)錄激活最強(qiáng)。在o2和sh1雙突變中，SUS活性比單突明顯下降，淀粉和蛋白質(zhì)合成都受到嚴(yán)重影響。他們構(gòu)建了Sh1，Sus1和Sus2的不同雙突和三突，發(fā)現(xiàn)Sus1和Sus2的單突和雙突籽粒都沒有明顯表型，但它們?nèi)魏我粋€(gè)和Sh1形成雙突都會(huì)加重sh1的表型，三突變體的表型最為嚴(yán)重，籽粒極度中空，儲(chǔ)藏物質(zhì)填充很少。以上結(jié)果說明，在玉米籽粒高速灌漿時(shí)，雖然Sh1是蔗糖合酶活性最主要的貢獻(xiàn)者，但O2對(duì)Sus1和Sus2的轉(zhuǎn)錄激活是對(duì)Sh1介導(dǎo)的灌漿的必要補(bǔ)充。該工作進(jìn)一步證實(shí)了O2是胚乳灌漿調(diào)控的核心因子，它使從葉片轉(zhuǎn)運(yùn)到籽粒的蔗糖從裂解到最終合成儲(chǔ)藏物質(zhì)（淀粉和蛋白）形成高度協(xié)同的調(diào)控，這一策略可能在玉米高效灌漿中發(fā)揮重要作用。

中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心/植物生理生態(tài)研究所博士生鄧貽婷是本論文第一作者，副研究員王婕琛和張志勇（現(xiàn)美國(guó)羅格斯大學(xué)博士后，即將入職中科大百人計(jì)劃）參與了該項(xiàng)工作。中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心/植物生理生態(tài)研究所巫永睿研究員為通訊作者。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科技部和中國(guó)科學(xué)院等項(xiàng)目資助。