近期，国际权威学术期刊Plant Cell 发表了中国农业大学农学院小麦研究中心题为 The transcription factor CAMTA2 interacts with the histone acetyltransferase GCN5 and regulates grain weight in wheat 的研究论文。这项研究深入探讨了转录因子 CAMTA2 通过与 GCN5 相互作用共同影响小麦籽粒大小和重量的分子机制，并在自然种群中识别出了一个优秀的 CAMTA2-AH3 等位变异，这为提高小麦产量的分子育种提供了新的基因资源。组蛋白乙酰化是一个由组蛋白乙酰转移酶（HATs）和组蛋白去乙酰化酶（HDACs）控制的动态可逆过程。作为 HATs 的重要成员之一，GCN5 能将乙酰辅酶A 中的乙酰基团添加到组蛋白特定赖氨酸残基上，形成乙酰化修饰，使核小体结构松弛，促进转录因子和其他调控蛋白与 DNA 结合位点的特异性结合，从而激活基因表达。已有研究表明，GCN5 在动植物的表观遗传调控和染色质结构变化中扮演着关键角色。然而，GCN5 在小麦籽粒发育过程中，特别是在决定产量和品质性状方面的作用及其分子机制尚未完全了解。GCN5 通过调控 Sus2、SBElc 和 Glu 基因表达影响淀粉和贮藏蛋白积累本研究发现，gcn5 基因敲除突变体的小麦籽粒宽度和千粒重明显减少，总淀粉含量和谷蛋白含量也有所下降。此外，与野生型相比，gcn5 突变体中与淀粉合成相关的基因以及 Glu 基因表达下调。研究人员进一步使用 CUT&Tag 和 ChIP-qPCR 技术证明了 GCN5 可以直接靶向并调控 Sus2、SBElc 和 Glu 基因的启动子区域，通过建立这些基因启动子区的 H3K9ac 和 H3K14ac 修饰来促进其表达，进而影响淀粉和贮藏蛋白的积累。图1 GCN5 调控 Sus2、SBElc 和 Glu 基因表达CAMTA2-GCN5 复合体以不同机制调控淀粉和贮藏蛋白基因表达为了更深入地理解 GCN5 对小麦籽粒大小和重量的调控机制，研究团队鉴定到了一个与 GCN5 互作的蛋白质——钙调蛋白依赖的转录激活因子 CAMTA2。通过一系列实验，包括酵母双杂交、pull-down、免疫共沉淀（Co-IP）、双分子荧光互补（BiFC），验证了 GCN5 与 CAMTA2 之间的互作关系。CAMTA2 在授粉后的小麦籽粒胚乳中高表达，而 CAMTA2 敲除后，小麦籽粒的尺寸和重量减少，总淀粉含量降低，这一表型与 gcn5 突变体相似。转录组数据分析显示，在 gcn5 和 camta2 突变体中，有17个淀粉合成通路基因同时下调。EMSA 和 ChIP-qPCR 实验表明，CAMTA2 能直接结合 Sus2 和 SBElc 基因启动子区的 CGCG 元件，并招募 GCN5 来建立 H3K9ac 和 H3K14ac 乙酰化修饰，以激活这些基因的表达，确保籽粒中淀粉的正常积累，显示出 CAMTA2 和 GCN5 在调控籽粒千粒重和淀粉积累上的协同作用。先前的研究已经指出，GCN5 是贮藏蛋白表达的关键调控者。本研究还发现，GCN5 突变会导致籽粒谷蛋白含量下降，干面筋含量和 SDS 沉降值降低。为了确定 CAMTA2 是否通过招募 GCN5 共同调控 Glu 基因表达，研究者进行了 ChIP-qPCR 分析，结果显示，在 camta2 突变体中，GCN5 在四个 Glu 基因启动子区的富集程度没有显著变化，表明 CAMTA2 和 GCN5 在调控淀粉和贮藏蛋白积累方面的机制不同。筛选出一个提高粒重的优异等位变异CAMTA2-AH3最后，研究人员分析了445份小麦种质资源中的 CAMTA2 等位变异，鉴定了三种单倍型（Hap1, Hap2, Hap3），其中 Hap1 最为常见。EMSA 实验显示，Hap3 对 Sus2 的结合能力更强，且携带 Hap3 单倍型的材料籽粒更大、粒重更高。尽管 Hap3 尚未广泛应用于育种实践中，但该研究为提高小麦产量的育种提供了潜在的新基因资源。开发的 KASP194 分子标记能够有效区分 Hap3 与其他两种单倍型，未来可用于小麦育种中的分子标记辅助选择。近年来，虽然已克隆了一些影响小麦籽粒重量和品质的基因，但能同时调控籽粒淀粉和贮藏蛋白积累的基因却不多见。本研究不仅揭示了 GCN5 在籽粒淀粉和贮藏蛋白积累方面的作用，而且发现了它通过建立 H3K9ac 和 H3K14ac 修饰调控目标基因表达的功能，扩展了我们对组蛋白乙酰化在籽粒发育调控中作用的理解。此外，该研究还鉴定了 CAMTA2 与 GCN5 的互作，并详细解析了 CAMTA2-GCN5 复合体在淀粉和贮藏蛋白积累中的调控机制，为培育高产优质的小麦新品种提供了科学依据和技术支持。中国农业大学农学院小麦研究中心姚颖垠教授为论文通讯作者；已毕业博士张睿婕为论文第一作者；小麦研究中心孙其信院士、倪中福 教授、彭惠茹教授、刘杰教授、胡兆荣教授、杜金昆副研究员、辛明明教授，博士研究生张肖邦，已毕业硕士研究生安可心、张雪、张召衡，扬州大学农学院高玉姣博士，意大利农业研究和经济委员会谷物研究中心 Vincenzo Rossi 教授，中国科学院遗传与发育生物学研究所肖军研究员、博士研究生曹原参与了该研究工作。该研究得到了农业生物育种国家科技重大专项，四川省科技计划项目，国家重点研发计划，国家自然科学基金，国家农业重大科技项目，拼多多-中国农业大学研究基金(PC2023A01003)的资助。孙其信院士作为学术带头人的中国农业大学小麦研究中心长期围绕多倍体小麦广适性的遗传基础和分子机制、小麦产量性状形成、小麦品质性状遗传调控等一系列重要科学问题开展系统深入的研究。该团队在“十三五”期间共获得国家科技进步二等奖1项，国家技术发明二等奖1项，教育部高校科研优秀成果技术发明奖一等奖1项，中华农业科技奖优秀创新团队奖1项；近5年在小麦研究方向发表Nature、Nature Communications、The Plant Cell、Molecular Plant 等高水平研究论文50余篇。
![]()
