玉米醇溶蛋白转录因子的研究

Zein proteins are the most abundant storage proteins in maize seeds, and a key determinant for maize seed protein quality. Zein proteins are encoded by many different genes, with complicated regulations. However, so far only two transcription factors (Opaque2 and PBF, respectively) were cloned. They certainly could not explain the transcription regulation for all major zein protein classes, in particular for the most abundant 19kD zeins. In our previous study, we identified two new transcription factors by yeast one hybrid screening, using 19 kD zein gene core promoter and the Prolamin box as screening baits. They belong to zinc finger type and bZIP type transcription factors, respectively. In this study, we will characterize their features as transcription factor genes, and their transcription regulation to the target genes. We will explore their potential regulation network using protein-protein interaction analysis. We will evaluate their biological effects and potential application value by over expression and gene suppression with transgenic approach. The results from this study will extend our knowledge about the transcriptional regulation of zein genes, and lay the foundation for further genetic modification of storage proteins in maize.

玉米醇溶蛋白是玉米籽粒中最主要的储藏蛋白，直接影响玉米籽粒的蛋白品质。玉米醇溶蛋白种类繁多，并且调控复杂。然而目前已经克隆的转录因子仅2个（分别为Opaque2和PBF），并不能覆盖所有主要类型的醇溶蛋白基因的转录调控，其中包括玉米籽粒中含量最高的19kD醇溶蛋白基因。我们前期通过对19kD醇溶蛋白基因核心启动子的酵母单杂交筛选等研究，获得了两个新的转录因子，分别专一结合19kD醇溶蛋白基因核心启动子区，以及位于核心启动子区上游的关键顺式元件P-box，分属于锌指类和bZIP类转录因子。本研究将在此基础上，进一步研究这两个转录因子的表达特征和对靶标基因的转录调控作用；通过蛋白互作等研究探讨它们可能的调控网络；并通过转基因过表达和抑制表达等手段，探索这两个基因的生物学效应和可能的应用前景。本研究将显著推进我们对醇溶蛋白基因转录调控的认识，为利用和改造玉米储藏蛋白奠定理论基础。

醇溶蛋白是玉米最主要的籽粒储藏蛋白，由多基因编码。但目前已知的醇溶蛋白转录调控因子很少，对醇溶蛋白基因的转录调控缺乏全面认识。本项目执行期间，首先为了了解醇溶蛋白基因的基本转录调控状态，我们开展了对已知转录因子Opaque2的下游靶标基因分析。这一研究明确了Opaque2直接调控了大部分的醇溶蛋白基因，并发现了转录因子、氮代谢和抗逆相关等新靶标基因。这个工作为寻找和研究新的醇溶蛋白转录因子奠定了基础背景知识，结果已经发表在《Plant Cell》上，并被选为亮点评论。我们随后对原定的两个疑似转录调控因子开展了研究。其中Gene1是一个新的锌指蛋白，可以与Opaque2发生蛋白互作。但研究发现Gene1并非真正的转录因子，而是一个泛素E3连接酶，通过泛素化修饰Opaque2而调控Opaque2的转录激活活性。Gene2是一个新的胚乳特异表达的bZIP转录因子，研究发现它能够特异结合27kD醇溶蛋白启动子上的VRE box，并转录激活该启动子。Gene2突变后，27-kD醇溶蛋白的累积显著下降，因此Gene2是一个调控27-kD 醇溶蛋白的新转录因子。作为Gene1的替补，我们开展了对另一个候选转录因子ZmMADS47的分析。研究发现它是一个新的MADS类转录因子，它可以和Opaque2发生蛋白互作，并与Opaque2一起调控α类醇溶蛋白和50-kD醇溶蛋白基因的表达。这个工作已发表在《Plos Genetics》。总之，本项目执行期间，我们明确了Opaque2对多数醇溶蛋白基因的直接调控，发现了两个新的醇溶蛋白转录因子，和一个新的Opaque2修饰调控因子，在《Plant Cell》、《Plos Genetics》等上发表SCI论文3篇。本项目取得的研究结果，显著推进了对玉米醇溶蛋白转录因子和转录调控机制的认识，为从分子水平改良玉米蛋白品质提供了理论知识。