文献解读 | 多组学解析逆境环境下水稻的活力调控机制

发表期刊：Proc Natl Acad Sci USA  影像因子：12.779  中科分区：综合期刊1区Top  发表时间：2022.03.01Doi：10.1073/pnas.2026355119

研究背景

水稻（Oryza sativa）是全球最重要的主食作物之一，种子活力对农业产量和作物的生存能力至关重要。种子活力指种子在适宜条件下发芽和形成健康幼苗的能力。基因bZIP23和PER1A在植物生长发育和应对环境压力中起着重要的作用，但是它们在调控水稻种子活力中的作用尚不清楚。

ROS是调节种子活力的关键因素，ROS的平衡受到各种生物和非生物胁迫因素的影响，植物已经进化出复杂的ROS解读策略，PER1（氧化还原蛋白）是许多植物中的种子特异性抗氧化剂；植物激素ABA在调节种子成熟和活力中有重要的作用，abi3是ABA信号传到的关键下游成分；结合其他研究可以初步了解种子活力的分子调控机制，然而ABA对种子活力的控制是否与抗氧化信号通路有关仍不清楚，本研究整合转录组和代谢组数据，解析两个具有不同活力的水稻品种的遗传结构，建立了ABA-bZIP23-PER1A的水稻种子活力调节路径。

数据方法

1.mRNA-seq

2.代谢组

研究思路&研究设计

研究人员对具有不同种子活力的两个亚种水稻品种进行了加速老化处理，然后进行了转录组和代谢谱分析，以揭示影响种子活力差异的关键生物途径和代谢过程。

研究结果

1.不同种子活力的转录组图谱和代谢组差异情况

种子老化实验，Jigeng88完全丧失萌发能力下Kasalath还有98.7%的萌发能力；我们比较了Kasalath和Jigeng88未老化种子之间的基因表达，并鉴定了7，674个DE转录本；对差异基因进行聚类，结果发现包括ABA，赤霉素（GA），应激反应和水通道蛋白（水转运）途径，在C6簇（显著差异簇）中显著富集，据报导这几个通路参与种子活力的调控。

在Kasalath和Jigeng119样品中分别确定了51和88种代谢物为DA（差异积累代谢物），通路分析：嘌呤和GSH代谢途径有显著改变，这些途径也与种子活力的功能调控有重要关联。

2.bZIP23和bZIP42正向调控种子活力

使用转录组数据进行转录因子鉴定（PlantRegMap），在Kasalath和Jigeng21种子中分别发现了16个和88个具有显著高代表性靶标的TF；构建共表达调控网络：几个显着上调并参与ABA信号传导的候选TF，包括bZIP23和bZIP42，仅存在于Kasalath的基因网络中。bZIP23/42基因已被表征为赋予ABA依赖性耐受非生物胁迫的重要遗传因子。

研究了bZIP23的相对表达水平与10个粳稻和8个籼稻品种之间种子活力的相关性，观察到bZIP23等位基因的表达在老化处理后上调，这些品种之间存在明显差异

3.过氧化物还原蛋白PER1A是水稻种子活力的正调节因子

将转录与GSH生物合成代谢图谱进行通路整合，发现核心代谢物的含量降低，该途径中的大多数基因下调；同时进行H202检测，发现，Jigeng88比Kasalath积累了更多的H202，结合前人拟南芥的研究，筛选到了PRX家族，其中PER1A优先在种子老化前期表达，且差异更大，过表达PER1A，过表达PER1A的水稻种子，其萌发率下降的速度比野生型慢。

4.PER1A由TF bZIP23 和bZIP42 直接调控

采用了酵母单杂交（Y1H）测定来测试这些TF是否可以与PER1A启动子结合，与蛋白bZIP4（GAD-bZIP42）或GAD-bZIP42融合的GAL23转录激活结构域（GAD）激活了由PER1A启动子驱动的LacZ报告基因。

ChIP-qPCR表明bZIP23和bZIP42都可以与PER1A启动子结合；电泳迁移率转移测定（EMSA）显示，重组His-bZIP42或His-bZIP23融合蛋白，但不是His单独，导致生物素标记的WT PER1A探针的上移，而不是突变探针的上移。

双荧光素酶报告基因（DLR）测定：表明bZIP42和bZIP23可以直接与启动子结合并显着激活PER1A的表达。

qRT-PCR分析表明，与WT相比，PER1A表达在bzip23种子中下调，在bZIP23过表达种子中显着上调，而在PER1A敲除系中，bZIP23表达没有改变。

5.bZIP23-PER1A 调节模块通过 ABA 信号通路调节种子活力

bZIP23基因产物介导了水稻对外源性ABA处理的敏感性，在用外源性ABA处理WT种子23小时后，观察到bZIP23的瞬时上调表达；PER1A的表达模式与bZIP23的表达模式相似。支持ABA诱导的信号通路最有可能参与bZIP23-PER1A介导的种子活力调节的结论。两个品种对ABA处理的敏感度不同：研究了bZIP23和PER1A在Kasalath吸收种子中的表达与用ABA梯度升高处理的Jigeng88的表达，并观察到bZIP23在Kasalath中显着上调，但在Jigeng88中没有。观察到Kasalath种子中ABA浓度增加对发芽的抑制作用比Jigene88严重得多；我们得出结论，为了响应老化处理，Kasalath的种子具有ABA水平的突然激增，由于敏感性而激活了bZIP23-PER1A途径，而Jigeng88的种子则没有。

研究结果&结果讨论

籼稻品种卡萨拉斯的种子活力优于粳稻吉耿88，确定了PRX家族基因PER1A，其编码参与ROS（解毒的蛋白质24，37）作为水稻种子活力的正调节因子。研究揭示了AREB因子bZIP23在PER1A上游起作用，bZIP23-PER1A介导的种子活力调节可能通过ABA信号通路。Kasalath种子（更高的活力）中，内源性ABA最初响应加速衰老处理而增加，从而促进AREB因子bZIP23的表达，该蛋白激活其下游PER1A靶基因的表达并增强种子活力。然而，在冀庚88种子（活力较低）中，内源性ABA在加速衰老过程中没有改变，bZIP23-PER1A介导的信号通路可能不能起作用。尽管如此，我们确定了bZIP23-PER1A介导的水稻种子活力调节解毒途径，并为改善作物质量提供了潜在的有用目标。差异基因编码参与细胞分裂素、茉莉酸和水杨酸代谢和信号通路的各种蛋白质的大量转录本以及这些激素的含量在种子老化时发生了变化；油菜素类固醇（BR）信号通路中起作用的几个基因，如BRI1，BAK1，GSK26和LIC显着下调。

总的来说，我们揭示了种子活力变异的遗传结构，并发现了bZIP23-PER1A介导的解毒途径，该途径增强了水稻种子的活力。这一发现可能为改良水稻种子活力，提高农业生产效率提供新的思路。

参考文献

Wang WQ, Xu DY, Sui YP, Ding XH, Song XJ. A multiomic study uncovers a bZIP23-PER1A-mediated detoxification pathway to enhance seed vigor in rice. Proc Natl Acad Sci U S A. 2022 Mar 1;119(9):e2026355119. doi:10.1073/pnas.2026355119. PMID: 35217598; PMCID: PMC8892333.