PNAS | 全基因组分析揭示大豆WRINKLED1转录因子结合位点与种子脂质生物合成机制的关系

学术 2024-11-01 09:04 湖北

植物衍生的油在食品和工业领域都有广泛应用，随着对人类营养和可持续能源需求的增加，植物油的需求预计将显著上升。油籽占全球植物油产量的55%，因此开发高油含量的作物至关重要。研究表明，脂肪酸主要以三酰甘油的形式储存在种子中，其合成在质体内进行，油籽作物在脂肪酸和三酰甘油的生物合成方面效率较高，储存脂质占其干重的60%以上。WRI1基因在脂肪酸积累中起关键作用，但目前对其调节机制的理解尚且不够深入。2024年10月30日，国际知名学术期刊《PNAS》在线发表了题为“Genome-wide profiling of soybean WRINKLED1 transcription factor binding sites provides insight into seed storage lipid biosynthesis”的文章，对大豆GmWRI1在发育过程中的全基因组结合谱进行了分析，揭示了WRI1结合位点及其调控的目标基因，为理解WRI1在种子储存脂质积累中的作用提供了新视角。这些结果为深入理解WRI1在促进种子储存脂质积累方面提供了新的视角。

研究表明，GmWRI1-A和GmWRI1-B是大豆中与脂肪酸和三酰甘油生物合成相关的关键基因。通过RNA-Seq分析发现，这两种mRNA在子叶期和早期成熟期的胚胎中高表达，随后在胚胎发育后期下降。ChIP-Seq数据鉴定出11,203个与GmWRI1结合的基因，最终筛选出2155个与GmWRI1共表达且显著重叠的靶标基因，称为GmWRI1直接靶标基因（DT基因）。在826个大豆脂质合成相关基因中，有111个是GmWRI1的DT基因，证实了GmWRI1在储存脂质生物合成中的直接调节作用。

通过分析，研究人员鉴定了DT结合位点中的AW盒基序，该DNA序列已被证实能与AtWRI1结合。GmWRI1 DT和FAT GmWRI1 DT基因在AW盒中显著富集，分别有35.2%和56.3%的结合位点包含完整的AW盒。此外，研究还发现了另一个DNA基序CNCCNCC（CNC盒），同样在GmWRI1 DT和FAT GmWRI1 DT基因的结合位点中富集。对AtWRI DR基因的分析显示，AW盒和CNC盒在TSS下游分别出现在70.3%和59.6%的基因中。综上所述，GmWRI1通过特异性结合这些DNA元件调节脂肪酸和三酸甘油酯生物合成基因的转录，并在拟南芥中显示出保守性。

本文研究了GmWRI1对四个FAT基因（ACP4、BCCP2、CAC2和ACP3）转录的调控机制，重点分析了AW盒和CNC盒的富集情况。研究发现，除了ACP3外，其他基因在与35S:GmWRI1共转染时均能增强大豆胚原生质体中的报告基因活性。突变实验表明，ACP4和BCCP2的AW盒突变显著降低了活性，而CNC盒突变则无明显影响，表明GmWRI1的功能主要依赖于AW元素。尽管ACP3在叶片原生质体中未显示增强子活性，其AW盒与CNC盒的突变并未影响其在胚胎中的功能，提示GmWRI1的功能可能需要其他转录因子的支持。研究结果表明，GmWRI1结合位置内的AW盒和CNC盒作为增强子元素发挥重要作用，促进GmWRI转录。GmWRI1和GmLEC1在大豆胚胎中对脂肪酸和三酰甘油的生物合成至关重要，二者的结合对FAT基因的调控存在加性或协同效应，推测它们独立促进FAT-GM WRI DT转录。GmWRI1通过调节多个转录因子形成正反馈回路，促进储存脂质的积累。

综上所述，本研究通过对大豆GmWRI1的全基因组结合谱进行表征，发现该转录因子直接调节脂肪酸和三酰甘油生物合成途径中多种酶和蛋白质的基因。GmWRI1主要与靶基因转录起始位点下游区域结合，并富含经典的WRI1 DNA结合元件和其他DNA基序。这些DNA元件能够介导GmWRI1的转录激活。此外，GmWRI1与其他转录因子协同作用，促进脂肪酸和三酰甘油的生物合成，特别是在正反馈子回路中与GmLEC1共同作用。总之，这些结果为GmWRI1在种子发育过程中调节储存脂质积累的遗传机制提供了新的见解。

原文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2415224121

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