Plant Cell |农学院小麦研究中心解析转录因子CAMTA2与组蛋白乙酰转移酶GCN5互作共同调控小麦粒重的分子机制
组蛋白乙酰化是由组蛋白乙酰转移酶（HATs）和组蛋白去乙酰化酶（HDACs）调控的动态可逆过程。GCN5 作为 HATs 的重要成员之一，负责将乙酰辅酶A（acetyl-CoA）中的乙酰基团添加到组蛋白的特定赖氨酸位点建立乙酰化修饰，使核小体结构松弛，促进各种转录因子和其他调控蛋白与 DNA 结合位点特异性结合，激活基因的转录。有研究报道，GCN5 在动植物的表观遗传调控及染色质结构调整中发挥着关键作用。然而，GCN5 在小麦籽粒发育特别是产量和品质性状形成中发挥的功能和分子机制尚不清楚。
2024年9月25日，Plant Cell 在线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。该研究系统解析了转录因子 CAMTA2 通过与 GCN5 相互作用共同调控小麦籽粒大小和粒重的分子机制，并在自然群体中发现了 CAMTA2-AH3 优异等位变异，为小麦高产分子育种提供了新的基因资源。
GCN5 通过调控 Sus2、SBElc 和 Glu 基因表达影响淀粉和贮藏蛋白积累
该研究发现 gcn5 基因敲除突变体籽粒粒宽与千粒重显著降低（图1A-B），总淀粉含量显著降低（图1C），谷蛋白含量降低（图1D）。且与野生型相比，gcn5 基因敲除突变体中淀粉合成相关基因（图1E）和 Glu 基因下调表达。继续利用 CUT&Tag 和 ChIP-qPCR 实验（图1F-J），证明 GCN5 直接靶向调控淀粉合成基因 Sus2、SBElc 和 Glu 基因启动子区，通过建立这些基因启动子区 H3K9ac 和 H3K14ac 修饰来促进其表达进而影响淀粉和贮藏蛋白积累。
CAMTA2-GCN5 复合体以不同机制调控淀粉和贮藏蛋白基因表达
为了进一步研究 GCN5 调控小麦籽粒大小和粒重的分子机制，该研究筛选到一个 GCN5 互作蛋白——钙调蛋白转录因子 CAMTA2。酵母双杂、体外 pull-down、免疫共沉淀（Co-IP）、双分子荧光互补（BiFC）等实验证明 GCN5 与CAMTA2 存在互作关系。CAMTA2 在授粉后籽粒胚乳中表达量较高，且 CAMTA2 敲除后小麦籽粒粒宽、粒长和千粒重降低，总淀粉含量减少，这与 gcn5 基因敲除突变体表型相似。转录组数据分析显示，有17个淀粉合成通路基因在 gcn5 和 camta2 基因敲除突变体中同时下调表达。此外，凝胶迁移实验（EMSA）和 ChIP-qPCR 证明 CAMTA2 可直接结合 Sus2、SBElc 基因启动子区的 CGCG 元件，并招募 GCN5 建立 H3K9ac、H3K14ac 乙酰化激活其表达，保证籽粒淀粉的正常积累，表明了 CAMTA2 和 GCN5 对籽粒千粒重和淀粉积累具有协同调节作用。
本实验室前期结果表明 GCN5 是贮藏蛋白的关键调控因子，本研究发现 GCN5 突变后籽粒谷蛋白含量降低，干面筋含量降低，SDS-沉降值降低。为了探究 CAMTA2 是否通过招募 GCN5 共同调控 Glu 基因表达，该研究使用 GCN5 抗体进行了 ChIP-qPCR 实验，发现 camta2 基因敲除突变体中，GCN5 在四个 Glu 基因启动子区的富集程度均无明显变化，这表明 CAMTA2 和 GCN5 在淀粉和贮藏蛋白积累中的调控机制不同。
筛选出一个提高粒重的优异等位变异CAMTA2-AH3
最后该研究利用445份小麦种质资源对 CAMTA2 等位变异进行了分析，鉴定到 CAMTA2-A 在小麦自然群体中存在3种单倍型（图2A），且 Hap1 的分布频率最高（图2B）。EMSA 实验表明 Hap3 对 Sus2 具有更强的结合能力（图2F），且考种结果显示携带 Hap3 单倍型的材料籽粒更大，粒重更高（图2C-E）。目前为止，Hap3 还未在育种中被广泛应用，该研究为小麦高产育种提供了可能的新的基因资源。并且开发的分子标记 KASP194 能够成功区分 Hap3 和另外两种单倍型，未来可用于小麦育种中的分子标记辅助选择。
近年来，一系列小麦粒重和品质基因被克隆，但目前已报道的同时调控籽粒淀粉和贮藏蛋白积累的基因数目并不多。该研究揭示了 GCN5 在影响籽粒淀粉及贮藏蛋白积累方面的功能，并发现其通过建立靶基因启动子区域 H3K9ac 和 H3K14ac 修饰来调控靶基因的表达，丰富了我们对组蛋白乙酰化在籽粒发育调控中的功能的认识。此外该研究还鉴定到其互作蛋白 CAMTA2，并系统解析了 CAMTA2-GCN5 复合体在淀粉和贮藏蛋白积累过程中的调控机制，为培育高产优质的小麦新品种提供了科学依据和理论支撑。
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(2023ZD04069)，四川省科技计划项目(2022YFSY0015)，国家重点研发计划(2020YFE0202300)，国家自然科学基金(32125030，U22A20478)，国家农业重大科技项目(NK20220607)，拼多多-中国农业大学研究基金(PC2023A01003)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。