PNAS | 两个NAC转录因子调控玉米种子淀粉和蛋白质的积累

谷物籽粒主要由胚乳组成，其中碳水化合物和醇溶蛋白作为主要营养成分分别储存在淀粉粒（starch granules，SGs）或者沉积在蛋白体（protein bodies，PBs）或蛋白质贮存液泡（protein storage vacuoles，PSVs）中。玉米胚乳中的醇溶蛋白包括α-, β-, γ-, 和 δ-醇溶蛋白四种，共占胚乳蛋白的60-70%。之前的研究在玉米醇溶蛋白基因的启动子发现了几个保守的顺式元件，如P-box（prolamin-box, TGTAAAG），O2-box（Opaque2-box, TCCACGT）或O2-like box（TTTACGT）【1】。相应的转录因子也被鉴定，O2（一种胚乳特异性bZIP TF）可以与O2-box结合以反式激活22-kDa α-玉米醇溶蛋白和15-kDa β-玉米醇溶蛋白基因的表达；另一种胚乳特异性Dof（DNA-binding with one finger）转录因子PBF（Prolamin-Box Binding Factor）则特异性结合P-box以调节22-kDa α-玉米醇溶蛋白和27-kDa γ-玉米醇溶蛋白基因的表达；最近研究还发现了OHP1，OPH2，ZmbZIP22和ZmMADS47四种转录因子可以调节醇溶蛋白基因的表达【1-3】。

与玉米醇溶蛋白不同，淀粉的生物合成途径更复杂并涉及碳水化合物的代谢，目前对玉米或其他作物中淀粉生物合成基因的转录调控知之甚少。研究表明，O2可以结合SSIII启动子中的O2-box以调节淀粉合成，PBF可以在SSIII启动子的O2-box附近结合P-box的核心元件并与O2共调解淀粉合成基因的表达。之前的研究已经在玉米中鉴定出了几个候选转录因子ZmNAC36, ZmbZIP91和 ZmEREB156，但是关于它们对淀粉合成的调节功能有待验证【4,5】。早在2003年，Joachim Messing研究组发现，ZmNAC128和ZmNAC130转录因子在灌浆期特异性和强烈表达【6】，但是ZmNAC128和ZmNAC130的功能尚不清楚。

近日，来自Rutgers University的Joachim Messing研究组在PNAS在线发表了一篇题为NAC-type transcription factors regulate accumulation of starch and protein in maize seeds的研究论文，揭示了两个NAC转录因子ZmNAC128和ZmNAC130调节玉米种子中淀粉和蛋白质积累的机制。

该研究发现，ZmNAC128 and ZmNAC130可能在胚乳灌浆阶段具有冗余的功能，通过RNAi降低ZmNAC128和ZmNAC130的表达会导致籽粒萎缩并且淀粉和蛋白质积累显著减少。进一步对淀粉生物合成的基因的表达分析发现，ZmNAC128和ZmNAC130调节Bt2（brittle2，Bt2和Sh2组成的AGPase（adenosine diphosphate glucose pyrophosphorylase）是玉米胚乳淀粉合成中的限速步骤）的转录并降低其蛋白水平，从而导致淀粉合成受阻。

该研究还发现，ZmNAC128和ZmNAC130减少也会导致玉米醇溶蛋白和其他蛋白的积累显著降低。ZmNAC128和ZmNAC130可以特异性地激活16-kDa γ-玉米醇溶蛋白基因的表达。进一步研究发现，ZmNAC128和ZmNAC130存在共同的顺式元件结合位点ACGCAA，这也解释了ZmNAC128和ZmNAC130功能的冗余。

ZmNAC128和ZmNAC130调节玉米醇溶蛋白和淀粉合成的模型

总之，该研究表明玉米胚乳特异性转录因子ZmNAC128和ZmNAC130可以通过调节关键淀粉生物合成酶和主要种子蛋白的表达来协调淀粉和蛋白质的积累。

该工作由美国罗格斯大学教授，美国科学院院士Joachim Messing课题组和中科院巫永睿研究组合作完成。

Joachim Messing教授开发了shotgun DNA测序方法以及M13mp/pUC/JM克隆试剂盒，为植物基因组学领域的发展做出了重要贡献。Joachim Messing教授先后获得世界生物技术科技奖、美国农业部杰出成就奖、沃尔夫农业奖、新泽西最有影响力100人、Promega生物技术研究奖等。Messing教授是美国科学院院士、美国艺术与科学院院士、德国科学院院士、美国科学促进会Fellow，美国微生物学会Fellow。在Science、Nature、Cell、Nature Biotechnology、Nature Communications、PNAS、Plant Cell和Genome Research等植物生物学领域顶尖期刊发表学术论文250多篇，总引用超过60000次，单篇最高超过14500次,使他成为80年代世界上引用率最高的科学家。目前他担任PNAS、Molecular Plant、Current opinion in Biotechnology等8个杂志的编委。

参考文献

【1】Y. Wu, J. Messing, Rapid divergence of prolamin gene promoters of maize after gene amplification and dispersal. Genetics 192, 507–519 (2012)

【2】J. Vicente-Carbajosa, S. P. Moose, R. L. Parsons, R. J. Schmidt, A maize zinc-finger protein binds the prolamin box in zein gene promoters and interacts with the basic leucine zipper transcriptional activator Opaque2. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 94, 7685–7690 (1997).

【3】C. Li, Y. Yue, H. Chen, W. Qi, R. Song, The ZmbZIP22 transcription factor regulates 27-kD γ-zein gene transcription during maize endosperm development. Plant Cell 30, 2402–2424 (2018)

【4】Z. Zhang, X. Zheng, J. Yang, J. Messing, Y. Wu, Maize endosperm-specific transcription factors O2 and PBF network the regulation of protein and starch synthesis. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 113, 10842–10847 (2016).

【5】J. Chen et al., ZmbZIP91 regulates expression of starch synthesis-related genes by binding to ACTCAT elements in their promoters. J. Exp. Bot. 67, 1327–1338 (2016).

【6】G. Segal, R. Song, J. Messing, A new opaque variant of maize by a single dominant RNA-interference-inducing transgene. Genetics 165, 387–397 (2003).

www.pnas.org/content/early/2019/05/16/1904995116