中國農(nóng)大農(nóng)學(xué)院小麥研究中心解析轉(zhuǎn)錄因子CAMTA2與組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶GCN5互作共同調(diào)控小麥粒重的分子機制

　　中國農(nóng)大新聞網(wǎng)訊 近日，Plant Cell 在線發(fā)表了中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院小麥研究中心題為 The transcription factor CAMTA2 interacts with the histone acetyltransferase GCN5 and regulates grain weight in wheat 的研究論文。該研究系統(tǒng)解析了轉(zhuǎn)錄因子 CAMTA2 通過與 GCN5 相互作用共同調(diào)控小麥籽粒大小和粒重的分子機制，并在自然群體中發(fā)現(xiàn)了 CAMTA2-AH3 優(yōu)異等位變異，為小麥高產(chǎn)分子育種提供了新的基因資源。

 

　　組蛋白乙?；怯山M蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶（HATs）和組蛋白去乙?；福℉DACs）調(diào)控的動態(tài)可逆過程。GCN5 作為 HATs 的重要成員之一，負責將乙酰輔酶A（acetyl-CoA）中的乙?；鶊F添加到組蛋白的特定賴氨酸位點建立乙?；揎?，使核小體結(jié)構(gòu)松弛，促進各種轉(zhuǎn)錄因子和其他調(diào)控蛋白與  DNA 結(jié)合位點特異性結(jié)合，激活基因的轉(zhuǎn)錄。有研究報道，GCN5 在動植物的表觀遺傳調(diào)控及染色質(zhì)結(jié)構(gòu)調(diào)整中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。然而，GCN5 在小麥籽粒發(fā)育特別是產(chǎn)量和品質(zhì)性狀形成中發(fā)揮的功能和分子機制尚不清楚。

 

 

　　該研究發(fā)現(xiàn) gcn5 基因敲除突變體籽粒粒寬與千粒重顯著降低，總淀粉含量顯著降低，谷蛋白含量降低。且與野生型相比，gcn5 基因敲除突變體中淀粉合成相關(guān)基因和 Glu 基因下調(diào)表達。繼續(xù)利用 CUT&Tag 和 ChIP-qPCR 實驗，證明 GCN5 直接靶向調(diào)控淀粉合成基因 Sus2、SBElc 和 Glu 基因啟動子區(qū)，通過建立這些基因啟動子區(qū) H3K9ac 和 H3K14ac 修飾來促進其表達進而影響淀粉和貯藏蛋白積累。

 

　　CAMTA2-GCN5 復(fù)合體以不同機制調(diào)控淀粉和貯藏蛋白基因表達

 

　　為了進一步研究 GCN5 調(diào)控小麥籽粒大小和粒重的分子機制，該研究篩選到一個 GCN5 互作蛋白——鈣調(diào)蛋白轉(zhuǎn)錄因子 CAMTA2。酵母雙雜、體外 pull-down、免疫共沉淀（Co-IP）、雙分子熒光互補（BiFC）等實驗證明 GCN5 與CAMTA2 存在互作關(guān)系。CAMTA2 在授粉后籽粒胚乳中表達量較高，且 CAMTA2 敲除后小麥籽粒粒寬、粒長和千粒重降低，總淀粉含量減少，這與 gcn5 基因敲除突變體表型相似。轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析顯示，有17個淀粉合成通路基因在 gcn5 和 camta2 基因敲除突變體中同時下調(diào)表達。此外，凝膠遷移實驗（EMSA）和 ChIP-qPCR 證明 CAMTA2 可直接結(jié)合 Sus2、SBElc 基因啟動子區(qū)的 CGCG 元件，并招募  GCN5 建立 H3K9ac、H3K14ac 乙?；せ钇浔磉_，保證籽粒淀粉的正常積累，表明了 CAMTA2 和 GCN5 對籽粒千粒重和淀粉積累具有協(xié)同調(diào)節(jié)作用。

 

　　本實驗室前期結(jié)果表明 GCN5 是貯藏蛋白的關(guān)鍵調(diào)控因子，本研究發(fā)現(xiàn) GCN5 突變后籽粒谷蛋白含量降低，干面筋含量降低，SDS-沉降值降低。為了探究 CAMTA2 是否通過招募 GCN5 共同調(diào)控 Glu 基因表達，該研究使用 GCN5 抗體進行了 ChIP-qPCR 實驗，發(fā)現(xiàn) camta2 基因敲除突變體中，GCN5 在四個 Glu 基因啟動子區(qū)的富集程度均無明顯變化，這表明 CAMTA2 和 GCN5 在淀粉和貯藏蛋白積累中的調(diào)控機制不同。

 

　　最后，該研究利用445份小麥種質(zhì)資源對 CAMTA2 等位變異進行了分析，鑒定到 CAMTA2-A 在小麥自然群體中存在3種單倍型，且 Hap1 的分布頻率最高。EMSA 實驗表明 Hap3 對 Sus2 具有更強的結(jié)合能力，且考種結(jié)果顯示攜帶 Hap3 單倍型的材料籽粒更大，粒重更高。目前為止，Hap3 還未在育種中被廣泛應(yīng)用，該研究為小麥高產(chǎn)育種提供了可能的新的基因資源。并且開發(fā)的分子標記 KASP194 能夠成功區(qū)分 Hap3 和另外兩種單倍型，未來可用于小麥育種中的分子標記輔助選擇。

 

　　近年來，一系列小麥粒重和品質(zhì)基因被克隆，但目前已報道的同時調(diào)控籽粒淀粉和貯藏蛋白積累的基因數(shù)目并不多。該研究揭示了 GCN5 在影響籽粒淀粉及貯藏蛋白積累方面的功能，并發(fā)現(xiàn)其通過建立靶基因啟動子區(qū)域 H3K9ac 和 H3K14ac 修飾來調(diào)控靶基因的表達，豐富了我們對組蛋白乙?；谧蚜０l(fā)育調(diào)控中的功能的認識。此外該研究還鑒定到其互作蛋白 CAMTA2，并系統(tǒng)解析了 CAMTA2-GCN5 復(fù)合體在淀粉和貯藏蛋白積累過程中的調(diào)控機制，為培育高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的小麥新品種提供了科學(xué)依據(jù)和理論支撐。

 

　　中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院小麥研究中心姚穎垠教授為論文通訊作者；已畢業(yè)博士張睿婕為論文第一作者；小麥研究中心孫其信院士、倪中福 教授、彭惠茹教授、劉杰教授、胡兆榮教授、杜金昆副研究員、辛明明教授，博士研究生張肖邦，已畢業(yè)碩士研究生安可心、張雪、張召衡，揚州大學(xué)農(nóng)學(xué)院高玉姣博士，意大利農(nóng)業(yè)研究和經(jīng)濟委員會谷物研究中心 Vincenzo Rossi 教授，中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所肖軍研究員、博士研究生曹原參與了該研究工作。該研究得到了農(nóng)業(yè)生物育種國家科技重大專項（2023ZD04069），四川省科技計劃項目（2022YFSY0015），國家重點研發(fā)計劃（2020YFE0202300），國家自然科學(xué)基金（32125030，U22A20478），國家農(nóng)業(yè)重大科技項目（NK20220607），拼多多-中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研究基金（PC2023A01003）的資助。

 

 

　　孫其信院士作為學(xué)術(shù)帶頭人的中國農(nóng)業(yè)大學(xué)小麥研究中心長期圍繞多倍體小麥廣適性的遺傳基礎(chǔ)和分子機制、小麥產(chǎn)量性狀形成、小麥品質(zhì)性狀遺傳調(diào)控等一系列重要科學(xué)問題開展系統(tǒng)深入的研究。該團隊在“十三五”期間共獲得國家科技進步二等獎1項，國家技術(shù)發(fā)明二等獎1項，教育部高?？蒲袃?yōu)秀成果技術(shù)發(fā)明獎一等獎1項，中華農(nóng)業(yè)科技獎優(yōu)秀創(chuàng)新團隊獎1項；近5年在小麥研究方向發(fā)表Nature、Nature Communications、The Plant Cell、Molecular Plant 等高水平研究論文50余篇。