近日，四川农业大学王际睿教授团队解析了bHLH转录因子PGS1调控PLATZ转录因子Fl3影响谷物种子大小和重量的机制。相关研究成果在线发表在植物学知名期刊《Plant Biotechnology Journal》上。
bHLH（basic helix-loop-helix）转录因子家族参与植物众多生长发育过程，如生物与非生物胁迫逆境适应、花发育、种子成熟萌发等调控。该家族成员功能的解析，对作物育种具有巨大潜在价值(Baudry et al., 2006; Grimault A, 2015; Heang and Sassa, 2012)。PLATZ（plant AT-rich zinc-binding proteins）转录因子家族成员较少，是植物中特有的转录因子。PLATZ家族序列具有独特的非特异性绑定AT碱基富集区域的特性，同时PLATZ受到ABA调控，也参与植物生长发育调控，如胚乳发育等(Li et al., 2017; Nagano et al., 2001; So et al., 2015)。
该团队利用小麦多组学数据预测了高可信度的225个bHLH TFs (Guo and Wang, 2017)和62个PLATZ TFs(Fu et al., 2020)，并分别对这些转录因子进行特征分析，其中一个小麦开花后5 ~ 20天种子中特异性表达的bHLH蛋白在小麦和水稻中异位过表达导致籽粒重量（小麦最高增加13.81%，水稻最高增加18. 55%）和大小增加，碳水化合物和总蛋白质水平也同时增加。作者也对水稻株高、穗长、有效穗数和穗粒数进行了考察，这些表型在过表达该基因的转基因株系中与野生型相比均无明显差异。因此，作者将该基因命名为TaPGS1 (T. aestivum Positive Regulator of Grain Size 1)。胚乳扫描电镜结果表明，TaPGS1 过表达小麦和水稻胚乳中淀粉粒较小且排列紧密，间隙较少。
TaPGS1与小麦、水稻中的一个PLATZ转录因子基因启动子区域的E-box序列结合，积极调控其表达，该基因与玉米调控胚乳发育的PLATZ转录因子基因ZmFl3同源，因此将它们分别命名为TaFl3和OsFl3。随后，运用CRISPR/Cas9敲除水稻中OsFl3，敲除株系平均千粒重、粒宽和粒长均显著下降，而胚乳结构也松散且多空隙，这恰好与TaPGS1的过表达株系表型相反，这进一步证明PGS1通过调控Fl3影响籽粒生长发育，进而影响谷物产量。
四川农业大学小麦研究所博士生郭晓江和符语昕为论文的共同第一作者，王际睿教授为通讯作者。中国科学院分子植物科学卓越创新中心巫永睿课题组，四川农业大学陈学伟教授课题组，加州大学戴维斯分校柳波教授课题组、加州大学戴维斯分校Mawsheng Chern项目科学家为本研究提供了大力支持。本研究得到了国家重点研发计划“政府间国际科技创新合作/港澳台科技创新合作”重点专项、国家自然科学基金等项目的资助。
图 1 过表达TaPGS1增加小麦种子大小和重量。
图 2 TaPGS1结合 TaFl3和OsFl3启动子促进其表达。
Baudry, A., Caboche, M. and Lepiniec, L. (2006) TT8 controls its own expression in a feedback regulation involving TTG1 and homologous MYB and bHLH factors, allowing a strong and cell-specific accumulation of flavonoids in Arabidopsis thaliana. Plant J 46, 768-779.
Fu, Y., Cheng, M., Li, M., Guo, X., Wu, Y. and Wang, J. (2020) Identification and Characterization of PLATZ Transcription Factors in Wheat. International Journal of Molecular Sciences 21, 8934.
Grimault A, G.G., et al. (2015) ZmZHOUPI, an endosperm-specific bHLH transcription factor involved in maize seed development. Plant J 10.
Guo, X.J. and Wang, J.R. (2017) Global identification, structural analysis and expression characterization of bHLH transcription factors in wheat. BMC plant biology 17, 90.
Heang, D. and Sassa, H. (2012) Antagonistic actions of HLH/bHLH proteins are involved in grain length and weight in rice. PLoS One 7, e31325.
Li, Q., Wang, J., Ye, J., Zheng, X., Xiang, X., Li, C., Fu, M., Wang, Q., Zhang, Z. and Wu, Y. (2017) The Maize Imprinted Gene Floury3 Encodes a PLATZ Protein Required for tRNA and 5S rRNA Transcription through Interaction with RNA Polymerase III. Plant Cell 29, 2661-2675.
Nagano, Y., Furuhashi, H., Inaba, T. and Sasaki, Y. (2001) A novel class of plant-specific zinc-dependent DNA-binding protein that binds to A/T-rich DNA sequences. Nucleic acids research 29, 4097-4105.
So, H.-A., Choi, S.J., Chung, E. and Lee, J.-H. (2015) Molecular characterization of stress-inducible PLATZ gene from soybean (Glycine max L.). Plant Omics 8.
