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【易文献】PNAS:玉米胚乳特异转录因子O2与PBF对蛋白质和淀粉合成的网络调控

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浏览:- 发布日期:2016-09-19 16:22:06【

2016年9月12日,PNAS在线发表了中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所巫永睿研究组与美国罗格斯大学Joachim Messing教授研究组合作的文章,就玉米胚乳特异转录因子O2和PBF在调控储存蛋白和淀粉合成基因表达进行了研究,为培育高产优质玉米提供了新思路。植生生态所助理研究员张志勇、杨俊和博士研究生郑喜喜在巫永睿研究员和Joachim Messing教授指导下完成该项研究工作。

文章中转录组测序及分析工作由欧易生物完成。

下面我们就这篇文章的内容进行简单介绍。

文章概述:

玉米胚乳特异转录因子O2PBF可以调控储存蛋白基因的表达,同时也可以调控淀粉的合成。在PbfRNAio2的突变体中,淀粉含量分别降低~5%11%,在PbfRNAio2双突变体中淀粉含量降低达了25%转录组测序显示,在单突变和双突变体中有超过1000个基因的表达量发生了改变,主要是糖和蛋白代谢途径的基因表达受到显著影响。淀粉合成复合体中两个关键基因PPDKs和淀粉合成酶IIISSIII),其表达量在突变体中都发生明显下调,并且这些基因都受到了PBFO2的直接调控。淀粉合成酶IIaSSIIa)和淀粉分支酶ISBEI)的表达也受到了PBFO2的间接调控。文章结果表明玉米的品质和产量受到相同转录因子的调控。

文章内容:

玉米作为主要粮食作物,但品质其实是比较差的,主要是因为占玉米储存蛋白70%的是醇溶蛋白,而醇溶蛋白缺乏必需氨基酸赖氨酸和色氨酸。

o2突变体中醇溶蛋白的含量降低,并且赖氨酸和色氨酸含量上升,因此o2突变体可用于进行玉米品质的改良。但o2突变体的问题是抗性差、产量低。

O2基因类似,PBF也是一个胚乳特异性转录因子,可以调控醇溶蛋白基因的表达。

1PbfRNAio2突变体中粒重和淀粉含量下降

PbfRNAio2的突变都会导致玉米粒重下降,并且干粉分析显示在pbfRNAio2单突变和双突变中淀粉含量显著降低(分别为~5%11%25%),预示PBFO2可能会调控淀粉的合成。

2PbfRNAio2会下调PPDKsSSIIISSIIaSBEI

为了揭示PBFO2所调控的下游基因,文章分别对16 DAPPbfRNAio2PbfRNAi;o2突变体和正常对照进行了转录组测序。分析结果显示,与正常对照相比,突变体共有1296个基因上调和1513个基因下调。

其中已知的淀粉合成关键基因PPDKs在突变体中都发生了显著下调(图1A),另外几个已知淀粉合成相关基因(如SSIIISSISu1SSIIa)在o2和双突变体中也有不同程度的下调,RT-PCR验证结果与之吻合(图1B)。并且Western blot结果显示,胚乳中PPDKSSIIISSIIaSBE1几个基因在蛋白质水平含量也发生下降。以上结果表明,o2突变和PbfRNAi;o2双突变中淀粉含量的降低与淀粉合成基因表达量的下降具有相关性。

图1 RNAseq和RT-PCR结果

3PBFO2激活PPDKSSIII启动子

为了解释以上PBFO2与淀粉合成基因之间的相关性,文章采用双荧光素酶报告系统,结果表明,胚乳特异转录因子PBFO2可以直接激活PPDKSSIII的启动子,但并不能激活SSIIaSBEI的启动子(图2),说明PBFO2可能通过其它因子间接调控SSIIaSBEI

图2 双荧光素酶报告系统结果

4PBFO2结合到PPDKSSIII启动子区域的PO2 box

PBFO2属于DOFbZIP转录因子家族,特征是可以识别含有AAAGP box)和ACGTO2 box)特征序列的motif。序列分析显示,在PPDK1PPDK2SSIII的启动子区域中,都含有P boxO2 boxEMSA实验表明,O2PBF是可以特异性结合到淀粉合成基因启动子区域中的P boxO2 box

文章结论:

玉米胚乳特异转录因子O2PBF可以直接调控淀粉合成复合体中两个关键基因PPDKsSSIII,进而影响淀粉含量和玉米的产量。O2PBF具备同时调控玉米蛋白品质和产量的功能(图3),因此优质玉米的培育应该避免用o2突变体,可以采用RNAi直接沉默醇溶蛋白基因的路径。

图3 玉米胚乳特异转录因子O2和PBF同时影响蛋白品质和粒重模式图

参考文献:

Zhang Z, Zheng X, Yang J, Messing J, Wu Y. Maizeendosperm-specifictranion factors O2 and PBF network the regulation of protein and starchsynthesis. Proc Natl Acad Sci U S A,2016, pii:201613721.

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    【本文标签】:转录组 因子 蛋白质 淀粉 表达 调控 研究
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