中國農大新聞網訊 近日，Plant Cell 在線發表了中國農業大學農學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。該研究系統解析了轉錄因子 CAMTA2 通過與 GCN5 相互作用共同調控小麥籽粒大小和粒重的分子機制，并在自然群體中發現了 CAMTA2-AH3 優異等位變異，為小麥高產分子育種提供了新的基因資源。
組蛋白乙酰化是由組蛋白乙酰轉移酶（HATs）和組蛋白去乙酰化酶（HDACs）調控的動態可逆過程。GCN5 作為 HATs 的重要成員之一，負責將乙酰輔酶A（acetyl-CoA）中的乙酰基團添加到組蛋白的特定賴氨酸位點建立乙酰化修飾，使核小體結構松弛，促進各種轉錄因子和其他調控蛋白與 DNA 結合位點特異性結合，激活基因的轉錄。有研究報道，GCN5 在動植物的表觀遺傳調控及染色質結構調整中發揮著關鍵作用。然而，GCN5 在小麥籽粒發育特別是產量和品質性狀形成中發揮的功能和分子機制尚不清楚。
GCN5 通過調控 Sus2、SBElc 和 Glu 基因表達影響淀粉和貯藏蛋白積累
該研究發現 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基因和 Glu 基因下調表達。繼續利用 CUT&Tag 和 ChIP-qPCR 實驗，證明 GCN5 直接靶向調控淀粉合成基因 Sus2、SBElc 和 Glu 基因啟動子區，通過建立這些基因啟動子區 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 復合體以不同機制調控淀粉和貯藏蛋白基因表達
為了進一步研究 GCN5 調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——鈣調蛋白轉錄因子 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。轉錄組數據分析顯示，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表達。此外，凝膠遷移實驗（EMSA）和 ChIP-qPCR 證明 CAMTA2 可直接結合 Sus2、SBElc 基因啟動子區的 CGCG 元件，并招募 GCN5 建立 H3K9ac、H3K14ac 乙酰化激活其表達，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同調節作用。
本實驗室前期結果表明 GCN5 是貯藏蛋白的關鍵調控因子，本研究發現 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 共同調控 Glu 基因表達，該研究使用 GCN5 抗體進行了 ChIP-qPCR 實驗，發現 camta2 基因敲除突變體中，GCN5 在四個 Glu 基因啟動子區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控機制不同。
篩選出一個提高粒重的優異等位變異CAMTA2-AH3
最后，該研究利用445份小麥種質資源對 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 具有更強的結合能力，且考種結果顯示攜帶 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用，該研究為小麥高產育種提供了可能的新的基因資源。并且開發的分子標記 KASP194 能夠成功區分 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基因被克隆，但目前已報道的同時調控籽粒淀粉和貯藏蛋白積累的基因數目并不多。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，并發現其通過建立靶基因啟動子區域 H3K9ac 和 H3K14ac 修飾來調控靶基因的表達，豐富了我們對組蛋白乙酰化在籽粒發育調控中的功能的認識。此外該研究還鑒定到其互作蛋白 CAMTA2，并系統解析了 CAMTA2-GCN5 復合體在淀粉和貯藏蛋白積累過程中的調控機制，為培育高產優質的小麥新品種提供了科學依據和理論支撐。
中國農業大學農學院小麥研究中心姚穎垠教授為論文通訊作者；已畢業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，已畢業碩士研究生安可心、張雪、張召衡，揚州大學農學院高玉姣博士，意大利農業研究和經濟委員會谷物研究中心 Vincenzo Rossi 教授，中國科學院遺傳與發育生物學研究所肖軍研究員、博士研究生曹原參與了該研究工作。該研究得到了農業生物育種國家科技重大專項（2023ZD04069），四川省科技計劃項目（2022YFSY0015），國家重點研發計劃（2020YFE0202300），國家自然科學基金（32125030，U22A20478），國家農業重大科技項目（NK20220607），拼多多-中國農業大學研究基金（PC2023A01003）的資助。
團隊介紹
孫其信院士作為學術帶頭人的中國農業大學小麥研究中心長期圍繞多倍體小麥廣適性的遺傳基礎和分子機制、小麥產量性狀形成、小麥品質性狀遺傳調控等一系列重要科學問題開展系統深入的研究。該團隊在“十三五”期間共獲得國家科技進步二等獎1項，國家技術發明二等獎1項，教育部高校科研優秀成果技術發明獎一等獎1項，中華農業科技獎優秀創新團隊獎1項；近5年在小麥研究方向發表Nature、Nature Communications、The Plant Cell、Molecular Plant 等高水平研究論文50余篇。
日期：2024-11-10
組蛋白乙酰化是由組蛋白乙酰轉移酶（HATs）和組蛋白去乙酰化酶（HDACs）調控的動態可逆過程。GCN5 作為 HATs 的重要成員之一，負責將乙酰輔酶A（acetyl-CoA）中的乙酰基團添加到組蛋白的特定賴氨酸位點建立乙酰化修飾，使核小體結構松弛，促進各種轉錄因子和其他調控蛋白與 DNA 結合位點特異性結合，激活基因的轉錄。有研究報道，GCN5 在動植物的表觀遺傳調控及染色質結構調整中發揮著關鍵作用。然而，GCN5 在小麥籽粒發育特別是產量和品質性狀形成中發揮的功能和分子機制尚不清楚。
GCN5 通過調控 Sus2、SBElc 和 Glu 基因表達影響淀粉和貯藏蛋白積累
該研究發現 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基因和 Glu 基因下調表達。繼續利用 CUT&Tag 和 ChIP-qPCR 實驗，證明 GCN5 直接靶向調控淀粉合成基因 Sus2、SBElc 和 Glu 基因啟動子區，通過建立這些基因啟動子區 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 復合體以不同機制調控淀粉和貯藏蛋白基因表達
為了進一步研究 GCN5 調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——鈣調蛋白轉錄因子 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。轉錄組數據分析顯示，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表達。此外，凝膠遷移實驗（EMSA）和 ChIP-qPCR 證明 CAMTA2 可直接結合 Sus2、SBElc 基因啟動子區的 CGCG 元件，并招募 GCN5 建立 H3K9ac、H3K14ac 乙酰化激活其表達，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同調節作用。
本實驗室前期結果表明 GCN5 是貯藏蛋白的關鍵調控因子，本研究發現 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 共同調控 Glu 基因表達，該研究使用 GCN5 抗體進行了 ChIP-qPCR 實驗，發現 camta2 基因敲除突變體中，GCN5 在四個 Glu 基因啟動子區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控機制不同。
篩選出一個提高粒重的優異等位變異CAMTA2-AH3
最后，該研究利用445份小麥種質資源對 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 具有更強的結合能力，且考種結果顯示攜帶 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用，該研究為小麥高產育種提供了可能的新的基因資源。并且開發的分子標記 KASP194 能夠成功區分 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基因被克隆，但目前已報道的同時調控籽粒淀粉和貯藏蛋白積累的基因數目并不多。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，并發現其通過建立靶基因啟動子區域 H3K9ac 和 H3K14ac 修飾來調控靶基因的表達，豐富了我們對組蛋白乙酰化在籽粒發育調控中的功能的認識。此外該研究還鑒定到其互作蛋白 CAMTA2，并系統解析了 CAMTA2-GCN5 復合體在淀粉和貯藏蛋白積累過程中的調控機制，為培育高產優質的小麥新品種提供了科學依據和理論支撐。
中國農業大學農學院小麥研究中心姚穎垠教授為論文通訊作者；已畢業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，已畢業碩士研究生安可心、張雪、張召衡，揚州大學農學院高玉姣博士，意大利農業研究和經濟委員會谷物研究中心 Vincenzo Rossi 教授，中國科學院遺傳與發育生物學研究所肖軍研究員、博士研究生曹原參與了該研究工作。該研究得到了農業生物育種國家科技重大專項（2023ZD04069），四川省科技計劃項目（2022YFSY0015），國家重點研發計劃（2020YFE0202300），國家自然科學基金（32125030，U22A20478），國家農業重大科技項目（NK20220607），拼多多-中國農業大學研究基金（PC2023A01003）的資助。
團隊介紹
孫其信院士作為學術帶頭人的中國農業大學小麥研究中心長期圍繞多倍體小麥廣適性的遺傳基礎和分子機制、小麥產量性狀形成、小麥品質性狀遺傳調控等一系列重要科學問題開展系統深入的研究。該團隊在“十三五”期間共獲得國家科技進步二等獎1項，國家技術發明二等獎1項，教育部高校科研優秀成果技術發明獎一等獎1項，中華農業科技獎優秀創新團隊獎1項；近5年在小麥研究方向發表Nature、Nature Communications、The Plant Cell、Molecular Plant 等高水平研究論文50余篇。
日期：2024-11-10
