Plant Cell&Environment|农学院小麦研究中心揭示氮素再分配在小麦籽粒蛋白质合成中的新机制

小麦是世界上重要的粮食作物之一，因其具有独特的面筋，可以被加工成多种面食品，如馒头、面条、面包和蛋糕等。小麦籽粒蛋白质含量直接影响小麦的营养品质和面食品加工品质。2006年，影响小麦叶片衰老和籽粒蛋白质含量的关键基因NAM-B1被克隆，但相关的作用机制至今尚未报道。

2024年3月18日，中国农业大学小麦研究中心在Plant, Cell & Environment在线发表了题为“TaNAM‐6A is essential for nitrogen remobilization and regulates grain protein content in wheat (Triticum aestivum L.)”的研究论文。该研究深入解析了转录因子TaNAM‐6A调控小麦籽粒蛋白质含量的分子机制，为小麦品质遗传改良提供了新思路和基因资源。

论文解读

本实验室前期通过对486份冬小麦材料的全基因组关联分析(Lou et al,2020)，初步确认TaNAM‐6A为小麦籽粒蛋白质含量的关键候选基因。本研究采用CRISPR/Cas9对TaNAM‐6A及其同源基因进行了敲除。结果发现，相比于野生型，TaNAM敲除突变体表现出明显的衰老延迟和籽粒蛋白质含量降低。而TaNAM‐6A超表达株系则表现出明显的衰老提前和籽粒蛋白质含量升高(图1)。

 图1 TaNAM转基因小麦的表型鉴定

在模式植物中，已经证明NPF家族基因编码膜转运体，促进包括硝酸盐和肽等多种底物的运输(Leran et al, 2015；Wang et al, 2020)。本研究通过转录组数据分析，结果显示TaNRT1.1和TaNPF5.5s等基因的表达显著下调。为了进一步研究TaNRT1.1和TaNPF5.5s是否为TaNAM-6A的直接靶点，我们进行了EMSA实验。结果表明，TaNAM-6A可以通过保守的CGTA-motif直接结合到TaNRT1.1和TaNPF5.5s的启动子上。与此同时，转录激活实验表明，TaNAM-6A可以直接激活TaNRT1.1和TaNPF5.5s的表达(图2)。

 图2 TaNAM-6A调控氮素再利用相关基因的表达

基于以上实验结果，本研究提出了一种新的小麦籽粒蛋白质含量的调控模型。TaNAM-6A直接调控氮素再利用相关基因，如TaNRT1.1和TaNPF5.5s，来协调叶片中氮的再分配，最终影响小麦籽粒蛋白质的合成(图3)。这一新发现为在小麦中更有效地利用这些基因提供了可能性。

 图3 TaNAM-6A影响小麦籽粒蛋白含量的示意图模型

中国农业大学农学院小麦研究中心 李保云 教授和 邢界文 副教授为该论文的通讯作者。博士研究生 孟鑫浩 和已毕业的博士研究生 娄鸿耀 为论文共同第一作者。小麦研究中心 孙其信 院士、倪中福 教授、张玉峰 老师对该工作进行了指导和帮助。小麦研究中心博士后 张润琪、刘国玉，博士研究生 徐伟亚、翟杉杉、余家正参与了该研究工作。该研究得到了国家自然科学基金（32072056）、国家自然科学基金（U22A6009）和科技创新2030-重大项目（2023ZD0406903）的资助。

团队介绍

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。