小麦作为三大粮食作物之一，提高其产量对解决粮食短缺问题极为重要。转录因子在作物发育基因的表达调控中发挥着重要作用。近日，王际睿教授团队揭示了bHLH转录因子PGS1调控下游PLATZ蛋白Fl3影响作物种子大小和重量的机制，对提高谷物产量具有重要作用。相关研究成果发表在国际知名期刊《Plant Biotechnology Journal》上。
课题组从2015年开始，对小麦转录因子家族进行全基因组分析，并针对其中两个影响种子发育较为突出的转录因子家族深入分析，发掘出种子特异表达，潜在的调控种子发育的候选基因（TaPGS1），最后进行基因功能验证。
本研究中，TaPGS1在花后5～20天种子特异性表达，并导致籽粒增大且重量增加（小麦最高增加13.81%、水稻最高增加18.55%），碳水化合物和总蛋白质水平也同时增加。胚乳扫描电镜结果表明，TaPGS1过表达小麦和水稻胚乳中淀粉粒较小且紧密嵌在蛋白质之间的间隙中，而株高、穗长、有效穗数和穗粒数等表型在过表达该基因的转基因株系中与野生型相比均无明显差异。TaPGS1直接与小麦、水稻中的PLATZ转录因子TaFl3和OsFl3基因启动子区域的E-box序列结合，积极调控他们在小麦和水稻中的表达，该基因与玉米调控胚乳发育的PLATZ转录因子基因ZmFl3同源。运用CRISPR/Cas9敲除水稻OsFl3，敲除株系平均千粒重、粒宽和粒长均显著下降，而胚乳结构也松散且多空隙，这恰好与TaPGS1的过表达株系表型相反，这进一步证明PGS1通过调控Fl3影响种子的生长发育，进而影响谷物产量。综上，该工作为阐明bHLH和PLATZ转录因子在籽粒发育过程中的潜在功能提供了依据，对提高谷物产量具有重要作用。
图 过表达TaPGS1增加小麦种子大小和重量
后记：
由于整个课题历时较久，前期受限于小麦基因组较大、测序数据不完整，运用了较老版本的数据库，但是研究思路仍然可取。前期，我们针对性的对bHLH和PLATZ两个家族进行了深入分析。在本研究中，我们结合转录组和ChIPseq分析，确定了PLATZ蛋白Fl3为bHLH转录因子PGS1的下游靶基因。有人可能会问，你们分析了PLATZ家族，为啥靶基因刚好就是这个家族的？这看似是个巧合，却又在情理之中。我们最初选择转录因子家族分析的时候，首先选择的就是与种子发育相关的转录因子家族，而这两个家族均与种子发育调控紧密相关；其次在选择候选基因的时，我们针对性的选择种子特异表达的基因，因此也就造就了这样的“巧合”。
四川农业大学小麦研究所博士生郭晓江、符语昕为论文的共同第一作者，王际睿教授为通讯作者。中国科学院分子植物科学卓越创新中心巫永睿研究员课题组，四川农业大学陈学伟教授课题组，加州大学戴维斯分校柳波教授课题组、加州大学戴维斯分校Mawsheng Chern项目科学家为本研究提供了大力支持。本研究得到了国家重点研发计划“政府间国际科技创新合作/港澳台科技创新合作”重点专项、国家自然科学基金等项目的资助。
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.13809?af=R
