image: 图1 TaMADS29转基因敲除系的表型分析 view more
Credit: ©《中国科学》杂志社
小麦是重要的粮食作物，为人类提供了大约20%的膳食能量。粒重是小麦产量三要素之一，也是小麦高产育种的关键指标。在籽粒发育过程中，小麦珠心突起参与籽粒的营养转运，影响籽粒库容建成以及贮藏物质积累，进而影响小麦的粒重和品质。小麦珠心突起的程序化细胞死亡（PCD）起始于发育中期而不是早期，其在小麦籽粒早期发育调控机制有待于深入研究。
近日，中国农业大学小麦研究中心梁荣奇课题组在Science China Life Sciences在线发表了题为“TaMADS29 interacts with TaNF-YB1 to synergistically regulate early grain development in bread wheat”的论文，发现转录因子TaMADS29与TaNF-YB1形成转录激活复合体，通过调控叶绿体发育与光合作用的相关基因来抑制活性氧积累，阻止珠心突起过早降解，以维持营养正常运输和籽粒早期发育。该研究还表明，籽粒叶绿体可能是籽粒发育的重要调节因子之一，通过超表达TaMADS29基因或控制籽粒发育过程中活性氧水平可以提高小麦粒重。
该研究利用CRISPR/Cas9介导的基因编辑技术，获得了同时敲除TaMADS29部分同源基因的三突遗传材料。该tamads29突变体籽粒在早期发育发生了严重的灌浆缺陷，表现出早衰，正反交结果表明这种灌浆缺陷是由于母体效应造成的（图1）。
正常小麦籽粒的珠心突起和胚乳分别在灌浆中期和后期发生PCD。然而，台盼蓝染色和TUNEL检测的结果表明，tamads29突变体的珠心突起和胚乳在花后6 天就发生了PCD，其珠心突起出现了明显的降解，细胞层数显著减少。DCF染色结果表明突变体中积累了大量的活性氧，进一步测定发现突变体籽粒和颖果叶绿体中均积累了高水平的H2O2（图2）。
透射电镜观察发现叶绿体结构紊乱，这一现象常会导致活性氧的过量积累，过量积累的活性氧则可能是触发PCD的原因。珠心突起是母体向籽粒运输营养的关键部位，与上述结果中珠心突起的降解相对应，突变体籽粒中的蔗糖含量显著降低；相应地，旗叶中的蔗糖含量显著上升。显微观察也表明，tamads29突变体籽粒中淀粉的积累受到严重抑制（图3）。上述结果说明TaMADS29是籽粒灌浆所必需的，TaMADS29的缺失会导致叶绿体的发育缺陷和活性氧的过量积累，并导致小麦籽粒的PCD提前。
对小麦早期籽粒（2、4和6 DAF）进行转录组测序，结果表明大部分差异表达基因富集在活性氧和叶绿体相关通路中。其中大部分叶绿体发育和光合相关基因在突变体中下调表达，且这些基因启动子上大都含有TaMADS29的结合元件。EMSA，ChIP-qPCR和转录激活实验表明，TaMADS29能结合并激活叶绿体TaFtsH1基因的表达，说明TaMADS29可能通过激活叶绿体发育和光合相关基因来调控细胞中活性氧的水平（图4）。
通过筛选小麦籽粒基因的酵母文库，发现NF-Y家族转录因子TaNF-YB1与TaMADS29互作。转录激活实验表明，这两个转录因子可以形成转录激活复合体，增强对下游靶基因的激活能力。敲除TaNF-YB1表现出与tamads29突变体相似的表型。
综上所述，TaMADS29与TaNF-YB1相互作用，协同调控叶绿体发育与光合相关基因，抑制活性氧过量积累，阻止珠心突起的过早降解，从而维持营养正常运输和籽粒早期发育（图5）。
Journal
Science China Life Sciences