Plant Cell?|?中國農科院作科所周美亮團隊解析高溫下黃酮類化合物調控苦蕎種子大小的分子機制

苦蕎是起源于我國喜馬拉雅山區的重要雙子葉雜糧作物，是高海拔冷涼山區和彝族等少數民族的主要糧食作物?？嗍w富含黃 酮類化合物（如蘆丁）和膳食纖維，具有調節血糖、降低膽固醇、抗氧化等保健功效，是新時期重要的健康作物?？嗍w在長期進化過程中形成了對高海拔冷涼環境的強適應性，但對高溫異常敏感。隨著氣候變化和產區的變遷，高溫已成為影響苦蕎產量的重要因素，特別在花發育時期高溫會導致花器官發育異常、花粉活力降低、柱頭可授性減弱，進而影響結實率和籽粒灌漿，顯著影響籽粒大小，但其背后的遺傳機制不清楚。此外，在高溫條件下，苦蕎的黃酮類化合物顯著積累，這些化合物是否參與調控籽粒發育也尚未明確。

近日，中國農業科學院作物科學研究所周美亮研究員團隊在The Plant Cell上發表題為“Phase separation of an FtAT-hook transcription factor regulates seed development under heat stress in Tartary buckwheat”的研究論文，該論文系統解析了轉錄因子FtAT-hook在高溫條件通過發生液液相分離（LLPS）調控黃酮類物質合成和籽粒大小的分子機制。

為探究高溫對苦蕎籽粒大小的影響，研究團隊利用200份苦蕎核心種質在不同生態區開展籽粒表型檢測，通過比較不同生態區的籽粒長寬比GWAS結果，結合轉錄組數據，在6號染色體鑒定一個顯著位點，該位點與支鏈淀粉含量GWAS區間重合，功能研究發現該區間的FtAT-hook與FtERDL6（單糖轉運蛋白）均負向調控種子大小，并且FtAT-hook能夠正調控 FtERDL6的表達。亞細胞定位分析發現FtAT-hook蛋白受高溫誘導后能發生液液相分離（LLPS），并且驗證了不同區段的無序區（IDR）對于相分離的作用。利用蛋白質互作技術，發現FtASR可與FtAT-hook互作，進而影響FtAT-hook的相分離，且這種互作受高溫調控。研究團隊進一步評估了不同溫度條件下，FtASR對 FtAT-hook蛋白相分離狀態和轉錄調控活性的影響。 通過分析FtAT-hook轉基因材料的黃酮代謝物含量，并結合轉錄組數據和EMSA等實驗驗證，發現FtAT-hook可以直接促進FtFLS（黃酮醇合成酶）的表達和促進黃酮類物質積累。非常有趣的發現是高溫下積累的黃酮類化合物 山奈苷又可以反饋抑制FtAT-hook蛋白相分離，進而減弱FtAT-hook對下游基因的轉錄調控，從而緩解高溫對苦蕎籽粒發育的脅迫（圖1）。在田間高溫環境下，通過對苦蕎外源噴施山奈苷能夠顯著緩解高溫對植株的脅迫和籽粒大小的影響，這為高溫下作物增產提供了新的思路。

圖1. FtAT-hook高溫下相分離調控苦蕎種子發育的分子機制模式圖

中國農科院作科所周美亮研究員為論文的通訊作者。中國農科院作科所已畢業博士生賴弟利、博士后李偉、助理研究員王志榮等為論文共同第一作者。貴州大學阮景軍教授和程劍平教授也參與了部分研究指導工作。該研究得到了國家自然科學基金項目資助。

文章鏈接：

https://doi.org/10.1093/plcell/koag065