玉米作為世界上產量最高的糧食和飼料作物，既是許多發展中國家人口的主食，又是畜牧業肉、蛋、奶生產的主要原料。玉米胚乳灌漿過程決定籽粒最終產量和營養品質。Opaque2(O2)作為胚乳灌漿調控的關鍵轉錄因子，調控絕大部分醇溶蛋白表達，還直接調控澱粉合成，蔗糖分解和胚乳細胞擴張等重要過程。1997年O2被報道存在磷酸化修飾，然而磷酸化修飾如何精細影響O2的生物學功能仍未知。
近日，四川農業大學西南作物基因資源發掘與利用國家重點實驗室楊桃團隊在The Crop Journal線上發表了題為“The CK1-Opaque2 module orchestrates endosperm filling and nutrient storage in maize seeds”的研究論文，作者系統鑑定O2磷酸化位點及其功能，並解析關鍵磷酸化位點T202調控O2轉錄活性和蛋白穩定性影響胚乳灌漿和儲藏物質合成的機理。
研究者系統鑑定在玉米胚乳灌漿過程中O2的磷酸化位點，共鑑定到18個磷酸化位點，並且動態性地影響O2的轉錄活性和亞細胞定位訊號（圖1）。進一步鑑定到蛋白激酶CK1與O2相互作用並顯著增加O2的轉錄活性和核定位訊號（圖2）。過表達CK1籽粒變大，百粒重增加，澱粉和醇溶蛋白含量均顯著提升（圖3）。聯合體外磷酸化實驗和質譜鑑定發現CK1磷酸化O2的T202位點。為確定T202位點磷酸化修飾對O2功能的影響，發現磷酸化顯著增強O2對下游基因的結合和調控能力，而去磷酸化削弱O2對下游基因結合和調控能力。O2磷酸化顯著增加其蛋白穩定性，而去磷酸化導致O2穩定性大幅度降低。為解析O2磷酸化對籽粒產量和營養品質的影響，研究者構建了T202位點的磷酸化和去磷酸化轉基因材料（圖4）。相對於野生型，磷酸化籽粒粒長、粒寬、粒面積、百粒重、容重、硬質胚乳面積和厚度均顯著增加。去磷酸化籽粒粒長、粒面積和百粒重顯著增加，但粒寬、容重、硬質胚乳面積和厚度均沒有明顯變化。測定營養品質指數發現磷酸化籽粒澱粉和醇溶蛋白含量顯著增加，而去磷酸化籽粒並沒有明顯變化。
綜上，本研究系統鑑定了O2磷酸化位點對其生物學功能的影響，闡明瞭蛋白激酶CK1磷酸化O2的具體分子機制，O2磷酸化顯著增加玉米產量和營養品質，為高產優質玉米培育提供新的視角和策略。
圖1 O2磷酸化修飾對其轉錄活性和亞細胞定位的影響
圖2 蛋白激酶CK1互作O2並增加O2的轉錄活性
圖3 過表達CK1籽粒表型考察
圖4 O2磷酸化和去磷酸化籽粒表型考察
四川農業大學西南作物基因資源發掘與利用國家重點實驗室碩士研究生廖龍雨和博士研究生黃雲欽為該文第一作者，楊桃教授為通訊作者，該研究得到農業生物育種國家科技重大專項（2023ZD04069），青年科學家專案（2023YFD1200008），國家自然科學基金專案（32472122），四川省面上專案（24NSFSC1704）和西南作物基因資源發掘與利用國家重點實驗室“生物育種”揭榜掛帥資助專案（SKL-ZY202211）的資助。該團隊主要從事玉米籽粒發育與遺傳改良工作。近年來系統解析了玉米胚乳灌漿起始調控機制以及翻譯後修飾精細調控胚乳灌漿和儲藏物質合成的深層機理，研究成果多次在The Plant Cell、Molecular Plant、Nature Communications等重要期刊發表。
論文連結：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214514124002289
來源：四川農業大學
