作者：魏佳、李焕改
谷物胚乳储存了丰富的淀粉和蛋白质，对籽粒产量和品质形成至关重要。胚乳灌浆主要涉及两个同步过程：营养物质的转运和贮藏物质的积累。Opaque2（O2）、ZmNAC128和ZmNAC130是玉米中三个已报道的与营养物质转运和贮藏物质合成相关的转录因子，在玉米胚乳填充过程中有较强的表达。然而，关于这三个转录因子协同调控胚乳灌浆过程的分子机理，目前尚不清楚。
近日，中国科学技术大学张志勇团队在The Plant Cell发表了题为“The transcription factors ZmNAC128 and ZmNAC130 coordinate with Opaque2 to promote endosperm filling in maize”的研究论文。该研究阐述了NAC转录因子ZmNAC128 、ZmNAC130协同O2促进胚乳灌浆过程，进而揭示玉米胚乳发育调控新机制。
在这项研究中，作者首先利用基因编辑技术获得了zmnac128 和 zmnac130 突变体。与单突材料相比，双突材料zmnac128 zmnac130 籽粒胚乳发育存在严重缺陷，具体表现为胚乳填充不完整，外周胚乳粉质化。扫描电镜观察发现双突籽粒的胚乳中淀粉粒和蛋白体变小（图1A），这直接导致成熟籽粒的百粒重、蛋白和淀粉含量降低幅度达50%以上（图1B和C）。RNA-seq分析进一步揭示在双突材料中，大量与醇溶蛋白和淀粉合成相关基因表达量下调，从而证明ZmNAC128和ZmNAC130在醇溶蛋白和淀粉的生物合成中发挥了重要作用。
图1. ZmNAC128 和ZmNAC130 基因敲除突变导致籽粒表型填充不良
DAP-seq实验证明ZmNAC128和ZmNAC130直接靶向三个（16-、27-和50 kD）γ-玉米醇溶蛋白基因。除此之外，ChIP-qPCR和启动子反式激活分析发现ZmNAC128和ZmNAC130还可以直接调控淀粉代谢相关基因，Bt2、Zpu1、SS1、Sus1、GBSS1 和SBEIIb（图2）。
图2. ZmNAC128和ZmNAC130直接调控淀粉代谢相关基因
由于O2 基因在nacRNAi 和zmnac128 zmnac130 突变体中的表达量均下调，研究者检测了这两种NACs是否直接调控O2的表达，结果表明ZmNAC128和ZmNAC130可以识别O2 启动子中顺式元件（GTACGT），从而激活O2 的高水平表达。因此，O2、ZmNAC128和ZmNAC130协同调控胚乳的填充、以及醇溶蛋白和淀粉的积累。
RNA原位杂交结果表明ZmNAC128 和ZmNAC130 不仅在淀粉胚乳（SE）中表达，同样在基底胚乳转移层（BETL）中也有表达（图3A）。通过对zmnac128zmnac130 突变体16 DAP胚乳转录组分析，发现ZmSWEET4c、ZmSUGCAR1、ZmYSL2 和ZmMN1 的表达量显著降低（图3B）。ChIP-seq表明ZmNAC128和ZmNAC130直接结合ZmSWEET4C 和ZmSUGCAR1 和启动子区（图3C），ChIP-qPCR和Dual-LUC实验进一步证明ZmNAC128和ZmNAC130促进ZmSWEET4C、ZmSUGCAR1 和ZmMN1基因表达（图3D和E），进而促进营养吸收。
图3. ZmNAC128和ZmNAC130调控ZmSWEET4c、ZmSUGCAR1 和 ZmYSL2基因表达
此外，该研究还探究了O2、ZmNAC128和ZmNAC130对糖和营养吸收的协同作用，结果表明O2、ZmNAC128和ZmNAC130可能通过共同调控ZmSWEET4c、ZmSUGCAR1 和ZmYSL2的表达来影响可溶性糖、Zn和K的摄取。O2本身对这些营养物质的吸收促进作用较弱，但O2可以与ZmNAC128和ZmNAC130协同作用，进一步提高ZmSWEET4c、ZmSUGCAR1和ZmYSL2的转运能力。
综上，ZmNAC128和ZmNAC130与O2协同促进玉米籽粒胚乳灌浆、营养物质的吸收、醇溶蛋白和淀粉的合成，同时调控自身基因表达。该文章拓宽了我们对籽粒灌浆分子调控机制的认识，对高产优质玉米的生物育种具有重要意义。
原文链接：
https://doi.org/10.1093/plcell/koad215
