RY repeat类似元件调控小麦HMW-GS基因表达的分子机制

The high-molecular-weight glutenin subunit (HMW-GS) with the characteristics of nutritional value and bread-making quality, can be biosynthesized specifically in the developing endosperm of wheat with a high level. But it is still unclear for the expression regulation mechanism of HMW-GS gene. A RY repeat like element has been identified to affect possibly the expression of HMW-GS gene by mutant analysis, for the mutated RY repeat like element resulted in the sharp decline of Ax1 in transcriptional level in the earlier work of this study. We will focus on the functional analysis and binding factor identification of RY repeat like element. The function research of RY repeat like element will be performed by association analysis between the polymorphism of RY repeat like element and high-level expression of HMW-GS gene and between the mutated RY repeat like element and tissue-specific expression of HMW-GS gene, and by the analysis of promoter activity on a series of fragmental deletion mutants. The potential binding factors of RY repeat like element screened by the yeast one-hybrid assay will be tested by the electrophoretic mobility shift assay. The candidates will be further analyzed sequentially by the expression profile analysis, subcellular localization research, genetic transformation research and chromatin immunoprecipitation assay. By means of the above work, we would identify the cis-acting element and trans-acting factor of HMW-GS gene.

小麦高分子量谷蛋白亚基（HMW-GS）具有营养价值和加工品质，能够特异性地在小麦胚乳中大量合成，但其表达调控机制尚不清楚。在本研究的前期工作中，通过突变体分析鉴定到一个RY repeat类似元件，该元件突变后导致Ax1转录水平显著下降。本研究拟通过RY repeat类似元件的多态性与HMW-GS基因高水平表达的关联分析，RY repeat类似元件突变子与HMW-GS基因组织特异性表达的关联分析以及启动子系列片段缺失突变子的转录活性分析进一步明确RY repeat类似元件参与HMW-GS基因表达调控的功能定位。通过酵母单杂和凝胶迁移实验筛选RY repeat类似元件的结合因子，再利用表达谱分析、亚细胞定位、遗传转化研究和染色质免疫沉淀实验鉴定出该元件的结合因子。综合以上结果，鉴定出HMW-GS基因表达调控的顺式作用元件及其结合因子。

小麦籽粒富含的储藏蛋白兼有营养品质和加工品质。贮藏蛋白中的高分子量谷蛋白亚基（HMW-GS）是小麦面团特性和面包加工品质的决定因素，提高优质HMW-GS的表达水平是改善面包品质满足人类需求的有效途径。然而，有关HMW-GS等位变异对面团特性和面包加工品质的影响，以及HMW-GS基因的表达调控机制方面还缺乏系统研究。本研究从一个HMW-GS基因Ax1突变体和一套完整的HMW-GS近等位基因系入手，探讨HMW-GS的特异性高表达调控机制及其等位变异的品质功能，主要结果如下：（1）RY repeat类似元件与HMW-GS基因的高表达有关联。（2）B3 domain家族的TaVp1A拥有核定位信号，其B3结构域能特异地结合野生型RY repeat类似元件，TaVp1A在小麦中的高表达能影响HMW-GS基因的转录。（3）HMW-GS基因启动子的远端序列影响谷蛋白基因在胚乳中的高表达，而其近端序列则赋予组织特异性表达特性。HMW-GS基因表达在糊粉层细胞、传递细胞和内胚乳细胞。（4）HMW-GS基因启动子区含有多个转录起始子，它们分布在15 nt长的小片段上，其中位于5’末端的两个起始子拥有一致序列YYAYY，能够高效起始基因的转录。转录起始子+1上的碱基A对小麦HMW-GS基因的转录起始具有重要的作用，该碱基颠换为T后使转录起始效率显著下降，且不能被其临近的高效起始子补偿。（5）HMW-GS亚基组合类型影响面团特性和面粉的面包加工品质，HMW-GS与醇溶蛋白存在表达上的竞争关系；LMW-GS可以独立形成大分子量GMP。（6）鉴定出在小麦胚乳不同发育时期能够稳定表达的基因ATG8d，为胚乳基因特别是营养基因和营养合成相关基因的表达调控研究提供了参照基因。以上研究成果有助于理解小麦谷蛋白基因的表达调控机制及HMW-GS在品质形成方面所扮演的角色，为将来的小麦品质育种提供理论依据。