揭示玉米胚乳灌浆调控新机制(2020.2.1 BioArt植物)

2020年1月31日，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巫永睿课题组团队在Plant Biotechnology Journal 在线发表题为“Transactivation of Sus1 and Sus2 by Opaque2 is an essential supplement to sucrose synthase-mediated endosperm filling in maize”的研究论文。该论文进一步拓展了Opaque2 （O2）作为玉米胚乳灌浆调控网络核心转录因子的作用范圍，揭示其可以调控胚乳储藏物质合成起始单元生成所需基因的协同表达。

o2突变体发现于上世纪二十年代，在过去近一百年的研究历程中，它见证了玉米遗传学、细胞生物学、生化与分子生物学及组学的蓬勃发展与应用。在这一百年里，前四十年它一直默默无闻，后六十年成为了玉米领域研究中炙手可热的基因之一。1964年，它在沉寂中，凤凰涅槃，浴火重生，一出场便作为高赖氨酸突变体发表在Science【1】，1965年的动物饲养实验证明它的营养价值优良后又发表在Science【2】。自此，科学家对它的研究分成了两条路线：优质蛋白玉米的育种和o2的分子机理研究。1987年，O2 基因被克隆，这成为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杂志【3】。在O2基因被克隆之前，其育种应用已经取得了重大突破。o2是粉质胚乳，不能直接应用于农业生产，国际玉米小麦改良中心从o2群体中不断筛选积累o2修饰因子（o2 modifiers， Mo2s）把粉质胚乳恢复成硬质胚乳，同时保持它的高赖氨酸性状，这就是优质蛋白玉米（Quality Protein Maize， QPM），并于2000年获得世界粮食奖（World Food Prize）。这个故事说明如果是好基因，育种家是不会等到基因被克隆才去利用它的。

O2是胚乳特异的bZIP转录因子，调控了绝大多数醇溶蛋白基因表达。在o2突变体中醇溶蛋白含量大量下降，而其它富含赖氨酸的优质蛋白补偿性地上升，这样不仅使籽粒总蛋白水平基本不变，而且赖氨酸总含量也随之大幅度增加，所以O2一直被标签化为醇溶蛋白基因家族的特异调控因子。然而，育种家在使用o2材料进行育种时发现它的产量总是比普通玉米低，好的品种才可以勉强达到普通玉米水平，但其内在机制一直未被揭示。巫永睿课题组近年来发现O2除了调控醇溶蛋白基因外，还调控淀粉合成直接相关的淀粉合成酶III等基因的表达【4】。这就说明了O2可能是玉米胚乳灌浆调控网络上的一个核心转录因子。虽然通过ChiP-seq和RNA-seq相偶联的方法解析了O2转录因子的调控网络【5， 6】，但它的基因遗传互作及整个调控通路的关键节点还有很多科学问题不清楚。

巫永睿课题组希望通过正向遗传学筛选能加重o2表型的突变体，即o2增强子（o2 enhancer， oen）。我们知道o2已经是非常粉质的突变体，o2增强子的单基因突变可能会有表型，但在o2背景下这种表型有可能会被掩盖，因此难以在大群体中被筛选出来。巫永睿课题组采用前面讲到的o2突变体的硬质版本——优质蛋白玉米作为亲本进行诱变。如果o2增强子突变破坏了优质蛋白玉米的胚乳修饰，那么其修饰的硬质胚乳又会重新变成粉质胚乳。通过大量EMS化学诱变，他们筛选到了一个在优质蛋白玉米K0326Y背景下呈现粉质表型且灌浆严重不足的突变体oen1。当oen1导入到普通玉米W64A背景中时，单突表型是硬质的，但籽粒种冠是塌陷的，内部有较大中空，而o2 和oen1的双突变体完全粉质且籽粒形成很大中空。双突变体的淀粉和醇溶蛋白合成比两个单突变体都受到了更大的影响，说明oen1增强了o2表型。

通过基因克隆，巫永睿课题组发现Oen1编码的是玉米一个已知基因Shrunken1（Sh1）。那么Sh1怎么会成为o2的增强子呢？在灌浆期，光合作用产生的蔗糖进入胚乳后要通过蔗糖合酶（sucrose synthase， SUS）的作用分解为果糖和UDP-葡萄糖，然后进入淀粉合成途径或者其它代谢途径，蛋白质合成途径所需氨基酸的碳骨架也要由这两种单糖的下游衍生物转化而来。玉米基因组中蔗糖合酶由三个基因编码：Sh1，Sus1和Sus2，其中Sh1 是酶活性的主要贡献者。巫永睿课题组发现O2对三个Sus基因都有转录激活功能，其中对Sus1和Sus2的转录激活最强。在o2和sh1双突变中，SUS活性比单突明显下降，淀粉和蛋白质合成都受到严重影响。他们构建了Sh1，Sus1和Sus2的不同双突和三突，发现Sus1和Sus2的单突和双突籽粒都没有明显表型，但它们任何一个和Sh1形成双突都会加重sh1的表型，三突变体的表型最为严重，籽粒极度中空，储藏物质填充很少。以上结果说明，在玉米籽粒高速灌浆时，虽然Sh1是蔗糖合酶活性最主要的贡献者，但O2对Sus1和Sus2的转录激活是对Sh1介导的灌浆的必要补充。该工作进一步证实了O2是胚乳灌浆调控的核心因子，它使从叶片转运到籽粒的蔗糖从裂解到最终合成储藏物质（淀粉和蛋白）形成高度协同的调控，这一策略可能在玉米高效灌浆中发挥重要作用。

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博士生邓贻婷是本论文第一作者，副研究员王婕琛和张志勇（现美国罗格斯大学博士后，即将入职中科大百人计划）参与了该项工作。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巫永睿研究员为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、中国科技部和中国科学院等项目资助。