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刘春明团队阐明水稻胚乳中清蛋白积累的分子机制

     禾本科植物的胚乳累积的淀粉和贮藏蛋白是人类最重要的食物来源。根据在不同溶剂中的溶解度不同,水稻胚乳贮藏蛋白可分为谷蛋白、醇溶蛋白、清蛋白和球蛋白。其中清蛋白是水稻胚乳中最丰富的水溶性蛋白,也是最主要的致敏蛋白,对其积累调控机制尚不清楚。之前的研究结果表明水稻胚乳特异性表达的转录因子NAC20和NAC26发生突变会导致胚乳淀粉和贮藏蛋白积累减少,呈现粉质胚乳表型。最近,中国科学院植物研究所/pg电子爱尔兰精灵刘春明团队发现水稻品种中花11的NAC20/26双敲除突变体nac20/26-3胚乳中醇溶蛋白累积略有减少,而16-kD清蛋白的累积几乎消失。质谱分析结果表明由Alb1、Alb2、Alb3、Alb4编码的四种清蛋白丰度在nac20/26-3突变体中急剧降低。qRT-PCR分析显示突变体胚乳所有编码清白合成的五个基因Alb1-5的表达均大幅度降低。进一步实验证明NAC20/26转录因子是通过与Alb1-5启动子区域的ACG保守基序结合激活胚乳中清蛋白基因表达,从而调控水稻胚乳清蛋白累积,其中NAC26的激活作用比NAC20更有效,这一活性差别是由于其中间区段的序列差异导致。通过酵母双杂交试验,研究人员鉴定到与NAC20/26互作的水稻醇溶蛋白结合因子RPBF,并利用基因编辑技术获得了两个独立的突变体rpbf-1和rpbf-2。这两个突变体籽粒皱缩,胚乳中包括清蛋白在内的多种贮藏蛋白含量均有部分降低。在rpbf突变体胚乳中Alb的表达量显著降低,但RPBF不能直接结合编码清蛋白基因的启动子,但是能够与NAC20/26互作增强NAC20/26对16-kD清蛋白基因表达的激活活性,间接控制水稻胚乳中清蛋白的积累。这一研究详细阐析了水稻胚乳中清蛋白累积的分子调控机理,为在育种过程中调控清蛋白含量奠定了基。部赡芪竺紫颜哂Χ怨粼侍馓峁┝私饩龇桨。

 

图1. RPBF与NAC20/26互作调控水稻胚乳清蛋白累积的分子机制

     A. SDS-PAGE和抗体免疫分析显示在rpbf 突变体中,多数储藏蛋白累积均有降低,而在nac20/26-3双突变体中主要是16-kD清蛋白消失。B. 水稻胚乳中最主要的水溶性蛋白是清蛋白,在nac20/26-3双突变体几乎消失。C. 体外转录激活分析显示NAC20/26可以激活Alb1/2启动子表达,这种激活活性在有RPBF存在时更强。D. ACG基序为NAC20和NAC26结合的核心元件,尽管RPBF不能直接与清蛋白基因启动子互作,但可通过与NAC20/26结合促进其转录激活活性。

     该研究成果是刘春明团队与中国农科院作物科学研究所万建民院士团队合作完成,于2022年12月29日在线发表于国际学术期刊Plant Biotechnology Journal。中国科学院植物研究所博士后吴明伟为本论文的第一作者,刘春明研究员为通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划、中国科学创新工程和国家自然科学基金委项目的资助。

 

Reference:

Ming-Wei Wu, Jinxin Liu, Xue Bai, Wen-Qiang Chen, Yulong Ren, Jin-Lei Liu, Meng-Meng Chen, Heng Zhao, Xuefeng Yao, Jin-Dan Zhang, Jianmin Wan and Chun-Ming Liu, Transcription factors NAC20 and NAC26 interact with RPBF to activate albumin accumulations in rice endosperm. Plant Biotechnology Journal, 29 Dec. 2022.doi:10.1111/pbi.13994

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