大豆GmZF351和GmZF392调控种子油分积累的机制研究

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大豆作为重要的油料作物,是植物油的主要来源。种子中的油脂含量在驯化中受到人工选择而不断提高,成为大豆的重要农艺性状。目前油脂合成的生化途径已比较清楚,但其调控机理尚不很清楚。随着大豆基因组学研究的开展及遗传转化技术的日臻完善,使得有可能更加深入地研究大豆油脂合成中关键调控基因及其参与的调控途径。本论文的目的是研究大豆种子油分积累调控的分子机制。  已知转录因子在油脂积累中起重要调控作用。我们通过分析大豆种子发育不同阶段以及根、茎、叶等转录组数据中的表达差异基因,鉴定出69个油脂快速合成时期的种子偏好表达转录因子。将其中30个候选基因在拟南芥中过量表达,通过分析转基因植株种子的油脂含量,鉴定出两个参与种子油分积累的调控基因GmZF351和GmZF392。  GmZF351和GmZF392主要在大豆种子中表达,表达量随着种子发育不断上升。二者编码串联CCCH锌指蛋白,其编码蛋白均定位于细胞核并具有转录激活活性。过表达GmZF351和GmZF392显著提高了转基因拟南芥种子油脂含量。ChIP-seq和ChIP-qPCR、qRT-PCR和烟草瞬时转化分析发现GmZF351和GmZF392可直接激活油脂合成和贮存基因BCCP2、KASⅢ、TAG1和OLEO2。GmZF351和GmZF392还结合WRI1的启动子正调控其表达,并通过WRI1下游基因Pkpα和Pkpβ1进一步提高转基因拟南芥的质体丙酮酸激酶活性,为脂肪酸合成提供更多乙酰-CoA从而促进油脂在种子中的积累。  通过比较ZF351和ZF392在栽培大豆和野生大豆中的表达量和群体遗传分析,发现大豆驯化选择了GmZF351而非GmZF392。ZF351和ZF392的表达量与油脂含量成正相关,但ZF351表达量的贡献率远高于ZF392表达量。ZF351单倍体型与表达量、油脂含量和启动子活性相关性较强,而ZF392单倍体型与表达量、油脂含量和启动子活性无显著相关性,表明GmZF351在驯化中被固定并促进了栽培大豆油脂含量的增加。  受驯化选择的GmZF351在大豆中过表达同样增强了转基因大豆种子中的油脂积累,qRT-PCR和烟草瞬时转化分析发现GmZF351能够诱导WRI1同源基因Glyma15g34770和Glyma08g24420、BCCP2同源基因Glyma19g03530、KASⅢ同源基因Glyma15g00550、TAG1同源基因Glyma13g16560和Glyma17g06120以及OLEO2同源基因Glyma19g13060和Glyma16g07800的表达。  我们的研究展示了大豆中新的油脂积累调控机制,并为驯化过程中油脂含量的增加提供了理论支持。GmZF351和GmZF392可以用于现有大豆品种油脂性状的改良,具有很大的应用潜力。
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