JIPB | 东北农业大学陈庆山/赵莹团队阐明GmGT-2F通过调控α-半乳糖苷酶活性影响大豆油分含量的新机制

大豆是全球重要的油料与蛋白质来源作物, 提升种子含油量是其育种的核心目标之一。Trihelix转录因子家族在植物生长发育中发挥重要作用, 但其在大豆油脂合成调控中的功能尚未明确。

近日, 东北农业大学陈庆山团队赵莹副教授在JIPB在线发表了题为“The GmGT-2F, a Trihelix transcription factor, regulates seed oil content by directly activating GmAGAL transcription in soybean”的研究论文 (https://doi.org/10.1111/jipb.70156)。该研究揭示了GmGT-2F调控大豆种子含油量的分子机制, 为高油大豆育种提供了新靶点。

研究人员通过全基因组分析鉴定到大豆Trihelix家族成员GmGT-2F。该基因定位于细胞核, 且在种子发育中后期特异性高表达。利用CRISPR-Cas9及转基因技术, 研究团队创制了GmGT-2F敲除突变体 (gmgt-2f) 和过表达株系 (GmGT-2F-OE)。过表达GmGT-2F可显著提高种子含油量 (增幅4.71%–7.37%), 且油酸、亚油酸等不饱和脂肪酸含量显著增加; 敲除GmGT-2F则使含油量下降8.76%–11.11%, 但种子蛋白质含量和粒重显著提升。电镜观察显示, GmGT-2F-OE株系种子中油体数量增多、蛋白储存液泡减少, 反之亦然, 证实了该基因在油分与蛋白积累平衡中的关键作用。

图1 GmGT-2F调控大豆种子油分和蛋白含量

通过RNA-seq与DAP-seq联合分析, 该研究鉴定到GmGT-2F的下游靶基因GmAGAL, 该基因编码α-半乳糖苷酶。进一步实验证实, GmGT-2F可直接结合GmAGAL启动子的M1 (GAGAAGAC) 和M2 (AAGAAAAAAG) 基序, 从而激活其转录。GmAGAL敲除株系 (gmagal) 及双敲除株系 (gmgt-2f/gmagal) 的α-半乳糖苷酶活性显著降低, 种子含油量同步下降, 表明GmAGAL是GmGT-2F调控通路的核心下游基因。代谢组分析表明, GmGT-2F通过调控GmAGAL活性, 可能影响蔗糖生成与分配, 进而调控油脂合成关键基因GmWRI1的表达。酵母双杂交、BiFC、CO-IP、Pull-down及LUC等实验表明, GmCYP2蛋白可与GmGT-2F相互作用, 抑制其对GmAGAL的转录激活能力, 形成该通路的负反馈机制。

图2 敲除GmAGAL和GmGT-2F/GmAGAL降低转基因大豆的种子含油量

单倍型分析显示, GmGT-2F、GmCYP2和GmAGAL均存在与油分/蛋白含量相关的优异单倍型。GmGT-2F^Hap2、GmCYP2^Hap2与GmAGAL^Hap3组合可使种子含油量高达21.72%; 而GmGT-2F^Hap3、GmCYP2^Hap1与GmAGAL^Hap1组合则能显著提升蛋白含量（47.67%）。这些优异单倍型组合为分子标记辅助育种提供了重要资源。

综上所述, GmGT-2F通过直接结合GmAGAL启动子激活其表达，增强α-半乳糖苷酶活性, 促进蔗糖生成并导向油脂合成通路; 而GmCYP2与GmGT-2F的相互作用则抑制该通路, 从而实现油分积累的精细调控。

东北农业大学赵莹副教授为该论文的通讯作者, 博士后李双哲、副教授崔一凡、博士生刘洋为该论文共同第一作者。该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发等项目资助。

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