抗“疫”情，保春耕 | 如何培育优质玉米：蛋白+转录剖析籽粒营养分配调控机制
2020-02-18
中科新生命
31912月12日，农业农村部发布了《中共中央国务院关于抓好“三农”领域重点工作确保如期实现全面小康的意见》，文件重点提到要打赢脱贫攻坚战和补上全面小康“三农”领域突出短板的两大任务。2020年是全面建成小康社会目标实现之年，是全面打赢脱贫攻坚战收官之年，而新冠肺炎疫情对各行各业产生了巨大冲击，此时中央一号文件的发布为乡村相关产业带来了更多的良机。
要想快速提高农民的收入，摆脱贫困，农产品品质提升是一个重要途径。为了实现这一目标，一代代的育种科学家积极探索产品品质的关键调控机制，实现高效定向育种，实实在在地解决农民人均收入提升问题。
玉米作为世界三大粮食作物之一，籽粒品质提升是重点育种方向。在玉米种子发育过程中，胚乳具有两大重要功能：一是作为贮藏器官，积累储藏物质；另一方面可以滋养种胚的生长发育。但玉米胚乳和胚之间是如何协调营养配置，并进行响应调控，这一系列过程的分子调控机制仍需探究。
2019年9月，中国科学院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所的研究团队在The Plant Cell 杂志上发表了相关研究成果：利用蛋白组、转录组结合的策略揭示了玉米籽粒中储藏蛋白从胚乳向胚重分配的分子调控机制，为未来培育优质蛋白玉米(Quality Protein Maize， QPM)提供了分子基础。
Intra-Kernel Reallocation of Proteins in Maize Depends on VP1-Mediated Scutellum Development and Nutrient Assimilation The Plant Cell IF=8.631 胚、胚乳、蛋白、转录组学、营养重分配 野生型W64A-αRNAi突变体籽粒、 野生型B73与B73-αRNAi突变体籽粒、glb1 glb2突变体、vp1突变体、glb1 glb2 vp1突变体。 1. 在Opaque2和RNAi突变体中从胚乳到胚的蛋白质重分配 研究人员利用WB检测不同突变体中胚、胚乳、籽粒中醇溶蛋白和非醇溶蛋白表达变化。结果表明，随着玉米醇溶蛋白的逐渐丢失，非玉米醇溶蛋白的含量以代偿方式增加。这说明胚能够感知和响应胚乳中的蛋白质组扰动。 图1 不同突变体的蛋白质积累模式 2. GLBs是αRNAi胚乳诱导表达的主要胚蛋白 研究人员对目标条带中的蛋白组分进行质谱分析。结果显示，大多数候选蛋白是球蛋白Globulin1（GLB1）。 为证实GLB1-l和GLB1-S是αRNAi诱导胚中主要的诱导蛋白，研究者对glb1 glb2双突变株和αRNAi材料进行蛋白和转录水平表达量检测，结果表明：αRNAi诱导的胚乳和胚乳之间的蛋白质组再平衡与Glb1和Glb2基因水平转录上调有关。 上述的结果说明：GLBs是胚主要的贮藏蛋白，并且是响应胚乳到胚蛋白质再分配的主要蛋白质。 图2 不同突变体中的GLBs表达分析 3. Glb1基因的空间表达模式及细胞形态学检测 石蜡染色切片与RNA原位杂交分析发现，营养物质的重新分配将更多的氨基酸从胚乳转移到胚中，从而导致盾片中GLB贮藏蛋白的积累，并伴随着盾片细胞体积的增大。 图3 αRNAi盾片中贮藏蛋白沉积的增强 图4 αRNAi盾片细胞体积的增大 4. 转录组学分析αRNAi籽粒中胚基因表达对胚乳蛋白转移的响应 研究团队对比了生长16天、24天的野生型和αRNAi突变体幼胚的转录组，结果表明：蛋白质组重平衡上调了胚中Globulin以及碳水化合物、氨基酸、硫同化等营养代谢通路相关基因的表达，多种参与代谢通路的差异基因在αRNAi胚胎中同时被激活或抑制，以响应胚乳中的蛋白质重新分配，蛋白质重新分配似乎主要在转录水平上被调节。 图5 αRNAi胚中差异基因及富集条目 5. 关键因子的筛选：VP1是蛋白从胚乳到胚重新分配所必需的 KEGG分析结果显示：上调差异基因在ABA信号通路的两个模块中显著富集：PYR/PYL 和SnRK2，通过荧光素酶互补实验检测到LEC1-AFL-B3, VP1能和SnRK2.2 and SAPK4互作，进一步通过WB和RT-qPCR分析发现在vp1 αRNAi中几乎所有的胚蛋白（包括Glb1和Glb2）都显著降低，该结果表明：VP1对胚蛋白质合成具有多向性效应，并且VP1是储存蛋白从胚乳到胚重新分配所必需的转录调控因子。 图6：VP1是蛋白从胚乳到胚重新分配所必需的 6. VP1作用机理探究：VP1反式激活αRNAi胚中Glbs和诱导多种基因表达 研究团队进一步对VP1调控机制进行研究，采用双荧光素酶定量分析（dual-LUC）及拟南芥过表达实验发现：VP1可以反式激活Glbs和许多胚基因的高表达，并且VP1能够诱导碳水化合物、氨基酸代谢、硫代谢、逆境响应等多种途径mRNA转录本的表达。这些结果表明：VP1是蛋白从胚乳到胚重新分配多种信号途径的中心转录调节因子。 图7：VP1反式激活αRNAi胚中Glbs和诱导多种基因表达 7. 表型描绘：VP1直接调节胚胎盾片细胞发育和营养吸收 作者通过GUS染色和RNA原位杂交分析发现：24天时，Glb1在盾片中显著表达，Vp1主要在盾片中表达，这表明了在胚发育过程中，VP1的表达空间的分布与盾片分化密切相关。进一步的石蜡切片实验发现，相比野生型幼胚，vp1幼胚有明显的发育缺陷。可溶性糖含量测定进一步揭示了VP1可导致营养同化不良，葡萄糖和果糖显著过度积累。 8. 全面解析VP1幼胚发育和蛋白重分配中调控网络 作者对野生型和vp1突变体进行转录组学分析，GO、KEGG显示在αRNAi中被激活同时在vp1中被抑制的154个基因主要参与转录调控、信号转导和基本营养代谢等，特别寡糖、海藻糖、蔗糖和淀粉代谢。值得注意的是，植物激素和应激响应途径在这两类通路显著富集，表明VP1在调控幼胚生理内环境中起着关键作用。这些结果表明，VP1直接调控了盾片在幼胚的发育和营养物质的吸收。 图8：野生型和vp1突变体幼胚转录本的比较分析 作者通过RNA干扰技术抑制了胚乳中α-醇溶蛋白（αRNAi），导致胚中合成了更多的球蛋白GLB1，因此显著增加了蛋白存储液泡的大小和数量。Glb基因在盾片的中上部强烈表达，该细胞体积在αRNAi株系中显著扩大。无论在胚乳中表达或是抑制α-醇溶蛋白，阻断球蛋白都会导致胚中的蛋白含量明显降低，说明了胚中的球蛋白是胚感知胚乳营养状态并结合来自胚乳分配的氨基酸的关键因素。并且胚与胚乳之间的蛋白重配很大程度上受到了转录水平的调控。野生型与αRNAi突变体籽粒中差异表达的基因主要参与了硫同化与营养代谢，其中有很多基因都受到VP1的转录激活。在vp1突变体的胚中，盾片的形态不正常，盾片细胞具有较少的细胞内含物，并且不能响应于αRNAi的诱导。 图9 ：VP1在胚乳与胚胎营养物质再分配中的分子模型 本文结果揭示了VP1对于玉米盾片发育及胚乳向胚的蛋白重配具有重要作用，为未来培育优质蛋白玉米(Quality Protein Maize， QPM)提供了分子基础，向玉米品质的提升迈了坚实的一步。
