在玉米种子储存物质合成调控研究取得重要进展

来源：植物科学最前沿

原标题：PNAS|美国科学院院士Joachim Messing博士课题组在玉米种子储存物质合成调控研究取得重要进展

玉米是全世界最高产的作物之一。胚乳作为玉米种子淀粉和醇溶蛋白（占总种子蛋白的60%以上，为最主要的种子储存蛋白）的储存器管，极大地决定了籽粒粒重和品质。由于醇溶蛋白基本不含赖氨酸（八大必需氨基酸之一），导致了玉米种子中的赖氨酸含量很低。在玉米驯化和现代育种过程中，人们通过降低种子中醇溶蛋白的含量进而间接提高赖氨酸的含量。然而直到今天，玉米中的赖氨酸含量仍太低而不能满足世界人口快速增长的需求。因此，玉米分子遗传学家们通过鉴定调控醇溶蛋白基因表达的转录因子的突变体，降低醇溶蛋白的合成积累，进而快速提高种子中的赖氨酸含量。到目前为止，已有几个调控醇溶蛋白基因表达的转录因子被鉴定。其中，一些转录因子双突变和三突变明显的导致了粒重下降 (1)，暗示这些转录因子协同调控了淀粉和醇溶蛋白的合成。为此，2016年上海植物生理生态研究所巫永睿研究员团队和美国科学院院士Joachim Messing博士团队合作发现了玉米胚乳灌浆期重要转录因子O2和PBF不仅调控了醇溶蛋白基因的表达进而影响籽粒品质，也直接和间接地调控了淀粉合成酶的表达进而影响淀粉合成和粒重 (2)。

2019年5月20日，美国科学院院报（PNAS）在线发表了新泽西州立大学Waksman研究所所长、美国科学院院士Joachim Messing博士团队的题为“NAC-type transcription factors regulate accumulation of starch and protein in maize seeds”的研究论文。该论文鉴定和解析了两个功能冗余的NAC类型转录因子在玉米胚乳淀粉和蛋白合成调控上的分子机制，揭示了它们在这两类储存物质的同步合成上扮演了更为重要的作用。

图1. nacRNAi转基因玉米籽粒表型及其淀粉和蛋白含量的变化

在玉米NAC转录因子家族中，仅两个NAC转录因子（ZmNAC128和ZmNAC130）特异地在灌浆期的胚乳中高表达。ZmNAC128和ZmNAC130高度一致的蛋白序列和进化上的共线性暗示其功能上的冗余性。为此，这一研究利用RNAi转基因策略同时沉默这两个NAC基因的表达，获得了它们的nacRNAi转基因玉米。在不同遗传背景下，nacRNAi转基因玉米籽粒都明显变得皱缩，其淀粉和蛋白含量都显著降低。nacRNAi的储存物质合成基因表达分析显示，多个淀粉合成基因和绝大多数的醇溶蛋白基因都两倍以上显著下调表达。其中Bt2和16-kD γ-zein是转录和蛋白水平下调最显著的两个基因。Bt2（Brittle2）是腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶小亚基（AGPase small subunit），它和AGPase大亚基Sh2（Shrunken2）形成异源四聚体，作为玉米胚乳淀粉合成的限速酶发挥作用，而16-kD γ-zein的转录调控之前一直未知。因此，这一研究重点解析了ZmNAC128和ZmNAC130调控Bt2和16-kD γ-zein基因表达的分子机制。这一研究的原生质体转录激活实验和系列EMSA实验表明：ZmNAC128和ZmNAC130识别Bt2和16-kD γ-zein基因启动子上的相同顺式作用元件ACGCAA，充分地激活这两个下游基因的表达。然而，这两个NAC转录因子对Bt2和16-kD γ-zein的表达并没有协同效应，表明了它们在功能上的冗余性。这一研究揭开了玉米灌浆期的胚乳组织中淀粉和醇溶蛋白同步合成的分子机制，也为今后培育高产优质玉米提供了新思路 (3)。

图2. 原生质体转录激活实验和凝胶阻滞实验鉴定ZmNAC128和ZmNAC130在Bt2和16-kD γ-zein启动子上的核心顺式作用元件

新泽西州立大学的博士后张志勇和董家强为该论文的共同第一作者，美国科学院院士Joachim Messing博士该论文通信作者，中科院上海植物生理生态研究所的巫永睿研究员和博士生冀晨也参与了这项研究。

这一研究成果也是张志勇博士作为第一作者，在玉米胚乳储存物质合成调控研究领域的第三项重要发现，相关研究成果如下：

1.Zhang Z, Yang J, & Wu Y (2015) Transcriptional Regulation of Zein Gene Expression in Maize through the Additive and Synergistic Action of opaque2, Prolamine-Box Binding Factor, and O2 Heterodimerizing Proteins. The Plant Cell 27(4):1162-1172.

2.Zhang Z, Zheng X, Yang J, Messing J, & Wu Y (2016) Maize endosperm-specific transcription factors O2 and PBF network the regulation of protein and starch synthesis. Proc Natl Acad Sci USA 113(39):10842-10847.

3.Zhang Z, Dong J, Ji C, Wu Y, & Messing J (2019) NAC-type transcription factors regulate accumulation of starch and protein in maize seeds. Proceedings of the National Academy of Sciences:201904995.