一作解读|The Plant Cell-中国农大小麦研究中心解析小麦贮藏蛋白和淀粉积累分子机制
2021年1月2日，中国农业大学农学院小麦研究中心在The Plant Cell杂志上在线发表了题为“The endosperm-specific transcription factor TaNAC019 regulates glutenin and starch accumulation and its elite allele improves wheat grain quality”的研究文章。
高产优质是小麦新品种培育的重要目标，小麦种子贮藏蛋白的含量和组成是决定面粉加工品质的关键因素之一，淀粉的含量与产量有关。但是，目前关于贮藏蛋白和淀粉积累的机理以及二者的协调关系还有待深入研究。这项研究深入解析了小麦胚乳特异表达转录因子TaNAC019在协调贮藏蛋白和淀粉积累中的作用及分子机制。
贮藏蛋白中，高分子量谷蛋白对于小麦加工品质起着关键性的作用。该研究利用酵母单杂交技术筛选到能与小麦高分子量谷蛋白基因启动子结合的NAC类转录因子TaNAC019，该基因在小麦胚乳中特异表达，并随着籽粒发育逐渐积累。TaNAC019敲除突变体中大部分贮藏蛋白基因以及部分淀粉合成相关基因表达下降，从而导致面筋和淀粉含量降低。同时，突变体中已知的贮藏蛋白调控因子TaSPA表达量下调，这表明TaNAC019也可能通过调节TaSPA表达间接调节贮藏蛋白的表达与积累。TaNAC019还可以与已知的谷蛋白调控因子TaGAMyb相互作用，进一步促进高分子量谷蛋白的表达。这些结果表明TaNAC019同时调控谷蛋白和淀粉的积累，在小麦产量和加工品质相关性状形成中具有关键作用。
图1.TaNAC019 调控小麦产量和品质相关性状的分子机制
小麦是典型的异源六倍体作物，基因组上大约30%的基因表现亚基因组的不对称性，即来自不同亚基因组的部分同源基因在表达和功能上存在分化。我们发现TaNAC019部分同源基因存在显著的功能分化，其中TaNAC019-B对高分子量谷蛋白基因启动子的结合能力和促进作用显著强于TaNAC019-A，而TaNAC019-D由于90位氨基酸差异丧失了对高分子量谷蛋白基因的调控作用，该研究结果表明，来自B染色体组的TaNAC019-B基因在小麦品质和产量相关性状形成中起重要作用。
图2.TaNAC019部分同源基因序列以及功能分化
为了深入挖掘TaNAC019-B基因的育种利用潜力，在小麦自然群体中挖掘到两种等位变异类型TaNAC019-BI和TaNAC019-BII，其中II型在起始密码子后39位的T插入产生了新的翻译起始位点导致N端富含谷氨酰胺Q的序列丢失，富含Q的结构对于转录因子的转录活性具有重要的作用，双荧光素酶报告基因实验表明TaNAC019-BI比TaNAC019-BII具有较强的转录激活能力。我们通过回交转育的策略，将优质麦中优206的TaNAC019-BI等位基因回交导入到衡观35（携带TaNAC019-BII）后，显著提高了衡观35加工品质表现。对224份不同小麦品种TaNAC019-B基因等位变异进行分析，发现70％地方品种携带TaNAC019-BI等位基因，而只有30％的现代品种和17%优质麦携带TaNAC019-BI等位基因，这表明TaNAC019-BI等位基因是未来小麦品质改良的重要候选基因。
图3.TaNAC019-B单倍型分析及功能差异分析
综上，该研究发现小麦胚乳特异表达转录因子TaNAC019通过直接调控高分子量谷蛋白基因和淀粉合成相关基因调节贮藏蛋白和淀粉的积累，TaNAC019-BI等位基因是小麦品质遗传改良的重要基因资源。
中国农业大学农学院小麦研究中心姚颖垠教授为论文通讯作者，博士研究生高玉姣以及硕士研究生安可心为本文的共同第一作者。中国农业大学小麦研究中心孙其信教授、倪中福教授、彭惠茹教授、辛明明教授、郭伟龙副教授、杜金昆副教授、胡兆荣副教授、山东农科院的曹新有研究员、意大利农业研究和经济委员会谷物研究中心的Vincenzo Rossi教授以及青岛农业大学郭卫卫博士为共同作者。小麦研究中心研究生陈永明、张睿婕、张雪和常思远也参与了本研究工作。该研究得到了中国国家自然科学基金（91935304），国家重点研发计划(2020YFE0202300)，泰山工业专家计划（tscy20190106）的资助。感谢中国农业大学宋任涛教授和赖锦盛教授对文章给予指导，感谢中国农科院夏先春研究员、曹双河副研究员、中科院左建儒研究员对实验给予的帮助，感谢河南农科院曹廷杰副研究员提供部分小麦材料。
一作心声：
从开始读研到现在已经6年半的时间了，回想这6年多的时光，我常常觉得自己在读研的前三年一事无成，弯路走的太多，但又想到那些自己熬过的夜，通过的宵，其实也还挺茫然。常常想一开始我就这样那样的做，我是不是可以提早几年毕业，想想也挺好笑，不做怎么会知道结果，没有撞过南墙怎么知道南墙走不通。
刚做TaNAC019功能的时候，RNAi技术还是功能验证的通用技术，小麦转基因技术也还不太成熟，那些年还是菜鸟的我种转基因苗种到怀疑人生，直到三年后CRISPR/Cas9技术的出现、普及以及小麦研究中心转基因平台的搭建，TaNAC019功能研究才算真正开始。科技的进步为我们提供了太多的机遇与挑战，坚持也会有柳暗花明的一天。
南墙有的时候也是可以撞通的，幸运有时候是留给有准备的人的。TaNAC019部分同源基因之间的分化其实是偶然发现的，随着年级的增长，越来越意识到时间才是最宝贵的财富。现在流行一句挺好玩的话叫“成年人不做选择，我都要”，所以做EMSA时候我都做了，结果出乎意料，多走走可能会看到别样的风景。
2020年是不平凡的一年，全国甚至全世界受到重创，作为毕业生的我同样面临不一样的艰辛与挑战。大年初一，文章一审意见回来，大年初二，学校发布公告，禁止学生返校，我像热锅上的蚂蚁，想回不能回，想做不能做，每天不断给老师打电话发微信。了解我焦灼的心情，远离实验十年的姚老师披挂上阵，帮我做实验，每天跟姚老师视频，指挥老师东跑西跑找这找那，后来我才知道那几个月实验楼电梯一直没开过，老师每天爬上爬下多少趟，感动，感激。犹记得我为此发了一条朋友圈，获得了全网的点赞与羡慕——我有一个好老师，好导师。同时，我还有一群勤劳热情、力争优秀的小伙伴，一句“实验多么，我一会忙完这个来帮你”真的是苦中送甜。
不是所有实验都会遇到“天时”，但坚持总会等到“天时”，感谢小麦研究中心为我们提供了“地利”，感恩老师和同学们创造的“人和”。尽管2020很艰难，文章8个月后才得以再投，而我的毕业依旧延期，但我依然心存感激。
小麦族多组学网站：http://202.194.139.32