PBJ | 遗传发育所张爱民团队在小麦储藏蛋白表达调控上取得进展，显著提高种子储藏蛋白的含量和面粉加...

本研究鉴定了一个小麦储藏蛋白基因抑制因子TaSPR (Seed storage protein gene repressor)。 抑制TaSPR的表达可以显著提高种子储藏蛋白的含量和面粉加工品质。

近日，Plant Biotechnology Journal 在线发表了中科院遗传发育所张爱民团队题为“A novel NAC family transcription factor SPR suppresses seed storage protein synthesis in wheat”的研究论文，该研究报道的TaSPR是目前为止谷类作物中鉴定的少数几个储藏蛋白抑制因子之一。

储藏蛋白是小麦籽粒的重要组分。其赋予了面团粘弹特性，是面食广为流行的重要原因之一。小麦储藏蛋白一般包括麦谷蛋白和醇溶蛋白两大类，它们都由多基因家族编码。除了通过聚合优良的蛋白亚基，如5 10，优化籽粒储藏蛋白含量也是改良小麦面粉加工品质的重要途径之一。基因工程的方法，如基因过表达技术、RNA干扰和CRISPR/Cas9，可以有效地提高或者降低单个甚至一类储藏蛋白亚基的表达。由于植物体内复杂的蛋白平衡机制以及麦谷蛋白和醇溶蛋白间的补偿效应，对储藏蛋白基因的工程改造并不能很好地改变籽粒储藏蛋白的总含量。

总储藏蛋白含量的稳定性暗示储藏蛋白基因可能受到上游调控因子的协同调控。挖掘储藏蛋白基因上游的调控因子不失为优化小麦籽粒储藏蛋白总含量的一个有效策略。到目前为止，人们仅在小麦中鉴定了少数几个参与储藏蛋白基因表达调控的转录因子，如SPA, WPBF和GAMyb。这些已被报道的调控因子多为激活因子。鉴定更多的储藏蛋白基因调控因子，尤其是抑制因子，在小麦研究中迫在眉睫。

乌拉尔图小麦是普通小麦A基因组的供体。该研究在全基因组测序的基础上，对乌拉尔图小麦整个灌浆期的胚乳进行了转录组分析，并发现了一个NAC家族的转录因子，TuSPR，在整个灌浆期高表达。这暗示该转录因子可能参与了小麦籽粒储藏物质的合成和积累。和野生型相比，TuSPR过表达株系所有储藏蛋白基因的转录水平在整个灌浆期都降低了。这导致成熟籽粒中麦谷蛋白、醇溶蛋白和储藏蛋白的总含量都显著降低了。这一结果表明TuSPR是储藏蛋白基因的负调控因子。

进而研究了TuSPR在普通小麦中同源基因TaSPR的功能。结果发现，TaSPR通过结合分布在储藏蛋白基因启动子区的顺式作用元件5’-CANNTG-3’, 抑制储藏蛋白基因的启动子活性以及转录水平(图1G)。和野生型相比，TaSPR RNA干扰株系的麦谷蛋白和醇溶蛋白含量都显著上升了(图1A和1B)。这导致TaSPR RNA干扰株系的储藏蛋白总含量上升了7.07%-20.34% (图1C)。值得一提的是，TaSPR RNA干扰株系的SDS沉降值和野生型的相比也显著提高了(图1D)，这预示着更好的面粉加工品质。

由于总储藏蛋白含量的增加，TaSPR RNA干扰株系的千粒重和单株产量也增加了。另外，TaSPR RNA干扰株系的其他重要农艺性状，如株高和穗粒数，并没有明显的变化(图1E和1F)。综合考虑，TaSPR可以作为小麦面粉加工品质改良的重要目标基因之一。

图1. TaSPR抑制储藏蛋白基因的表达和储藏蛋白的积累。(A-D) TaSPR RNA干扰株系的麦谷蛋白、醇溶蛋白、储藏蛋白总含量以及SDS沉降值与野生型的相比都显著提高。WT, 野生型。RNAi #1, #2和#3是三个TaSPR RNA干扰株系。 (E)和(F) TaSPR RNA干扰株系的其他重要农艺性状与野生型相比没有明显变化。(G) TaSPR通过结合在储藏蛋白基因(SSP gene)的启动子区抑制储藏蛋白基因的转录。

本研究由博士生申莉莎、罗光彬和宋艳红共同完成。感谢张爱民研究员和刘冬成教授的指导！特别感谢遗传发育所高彩霞研究员和王延鹏研究员在小麦瞬时表达实验上的指导和帮助。特别感谢遗传发育所王道文研究员和张坤普老师在蛋白含量测定上给予的帮助。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/pbi.13524?af=R

小麦族多组学网站：http://202.194.139.32