本周推荐的文章为04月07日黄进课题组每周的文献分享组会上，由吴龙英（2022级生物技术与工程专业硕士研究生）分享的题为“Transcription factor OsSGL is a regulator of starch synthesis and grain quality in rice”的文章。该文章发表于Journal of Experimental Botany（中科院二区，IF=6.9，第一作者：Zhenming Liu，通讯作者：Feng Yu and Long Wang）。
文献内容简介
水稻（Oryza sativa L.）是世界上最重要的农作物之一，也是世界上近50%人口的主食。随着日常生活水平的提高，人们对于优质大米的需求日益增长。稻米主要由胚和胚乳组成，其中胚乳占总干重的90%，而胚乳内的淀粉含量约占干重的80%。因此，揭示淀粉积累调控的分子机制对于改善稻米的品质具有极其重要的意义。
稻米胚乳中淀粉生物合成的过程是由一系列复杂的酶促反应组成的。水稻通过光合作用产生的蔗糖作为碳源，从而在胚乳部位形成淀粉。编码淀粉生物合成关键酶的基因突变可能导致胚乳发育异常，如粉质、白核或白垩质胚乳等。此外，有研究表明SUS（Sucrose synthase）作为淀粉生物合成途径的上游基因，在淀粉含量的调控中发挥着重要的作用。SUS的主要功能表现在其编码的蛋白所具有的酶活性。例如，玉米淀粉Zmsh1突变体的SUS活性仅为野生型的10%。该突变可导致胚乳中淀粉含量显著降低，进而使籽粒出现皱缩现象。除了淀粉生物合成酶外，对于 他一些间接或直接参与淀粉合成调控从而影响籽粒品质的基因也有所报道。比如，OsBT1编码二磷酸腺苷葡萄糖转运蛋白并调节淀粉的积累，Osbt1突变体则会导致胚乳发育缺陷和粉质胚乳等。
尽管转录因子在淀粉生物合成调控中发挥决定性作用，但目前仅有少数相关转录因子被报道过。例如转录因子OsbZIP58可以直接结合多种淀粉生物合成相关基因的启动子，包括OsSSIIa、OsWx、OsAGPL3、OsSBEI、OsSBEIIb和OsISA2等，并调控这些基因的表达。虽然对于几种参与淀粉合成的转录激活因子已经有所研究，但对于转录抑制因子的研究相对较少。在该研究中，与非生物胁迫耐受以及水稻粒长相关的蛋白OsSGL（具有DUF1645结构域）被证实为一种新型的多功能胁迫相关蛋白。已有研究表明OsSGL可以通过调节胁迫响应基因的表达来增强植物的抗旱性，其过表达显著增加了水稻籽粒的长度、粒重和每穗粒数。虽然OsSGL在水稻籽粒的产量以及抗逆性中发挥正向作用，然而其在粮食品质中的具体作用仍需进一步研究。
在该研究中，作者首先研究了OsSGL在各种组织中的表达，发现其在灌浆中期表现出显著的高表达（图1）。为了深入探究OsSGL基因对籽粒品质的影响，作者构建了OsSGL过表达以及突变体水稻，并分析了籽粒品质相关的数据。研究结果显示，OsSGL过表达以及突变体水稻种子的垩白程度比野生型更高（图2A，B）。对OsSGL过表达水稻种子的胚乳进行分析后发现，与野生型水稻胚乳中充满了体型小、松散、呈球形的淀粉颗粒不同，突变体种子的胚乳中则充满了排列松散、间距大的复合颗粒（图2C，D）。这些结果说明，OsSGL的稳定表达在确保粮食品质中起着重要作用。为了具体分析OsSGL对籽粒品质的影响，作者进一步测定了总淀粉、直链淀粉和总蛋白含量。结果表明，与对照组相比，OsSGL过表达以及突变体水稻的总淀粉含量较低，其可食用品质也相对较差（图2E-F）。综上所述，OsSGL可能通过调节淀粉含量、淀粉糊化和碱性糊化特性来影响籽粒品质。
图1. 不同阶段水稻种子中OsSGL的表达水平分析
图2. OsSGL过表达以及突变体水稻成熟种子的表型分析
由于OsSGL的表达水平在种子发育期的第18天达到最高水平。为了更好的了解OsSGL的功能，作者将该时期的植株进行了RNA测序分析（RNA-seq）。GO富集分析表明，在突变体以及过表达植株中，的DEGs在碳水化合物代谢过程中富集，这些结果为OsSGL调节胚乳发育过程中可能涉及的代谢途经提供了线索。此外，通过KEGG分析检测到了大部分淀粉生物合成相关基因表达量下调，如OsISA1、OsPHOL、OsAGPL1等（图3C）。这可能是造成突变体以及过表达植株中总淀粉和直链淀粉含量较低的原因。为了验证RNA-seq数据，作者采用qPCR检测了淀粉生物合成基因的表达，与RNA-seq的结果趋势一致（图3D）。综上所述，OsSGL在种子中调控淀粉生物合成相关基因的表达起着关键作用。
图3. OsSGL过表达和突变体水稻的转录组分析
由于作者之前发现OsSGL位于细胞核中，作者因此推测OsSGL可能直接结合到淀粉生物合成基因的启动子并调节这些基因的表达。因此，作者分析了OsSGL的转录活性。分析结果表明，OsSGL具有转录活性，并可以直接结合淀粉生物合成相关基因OsSUS1和OsSBE1的启动子区域（图4）。此外，通过双荧光素酶（LUC）分析结果也表明，OsSGL为OsSUS1和OsSBE1的转录抑制因子（图4E）。作者分析了OsSUS1的酶活性后，发现OsSGL通过抑制OsSUS的表达，导致OsSUS酶活性降低，从而影响种子中蔗糖以及淀粉的积累。
图4. OsSGL调控淀粉生物合成相关基因的表达
为了进一步了解OsSGL的作用机制，作者还进行了酵母双杂交实验。通过Y2H文库筛选到了上述实验的OsSUS1基因，并通过反向验证证明了OsSUS1与OsSGL有相互作用。为了了解OsSUS1与OsSGL相互作用的机制，作者探索了OsSUS1对OsSGL的转录抑制活性的影响。结果发现OsSUS1与OsSGL作用后降低了OsSGL对其他淀粉生物合成相关基因表达的抑制作用。
图5. OsSUS1和OsSGL的相互作用分析
文献总结与分析
本文研究了OsSGL在淀粉生物合成和籽粒品质中的功能，发现OsSGL过表达以及突变都会影响水稻种子的品质（淀粉含量及食用性）。此外，OsSGL作为一种转录抑制因子，可以抑制淀粉生物合成途径中OsSUS1的表达。但是有趣的是，OsSUS1又可以与OsSGL相互作用，降低OsSGL对其他淀粉生物合成基因的抑制作用。因此，本文结果表明，准确控制OsSGL在水稻中表达的稳定性对粮食品质至关重要。
于本课题组启示
本课题组的硕士研究生吴龙英专注于研究水稻基因OsSGL2在高温胁迫下的功能。本文研究表明OsSGL具有转录抑制活性并与淀粉合成途径有关，而OsSGL2与OsSGL同属水稻DUF1645基因家族的成员，因此，该文章为探究OsSGL2的功能提供了线索。后续，我们将进一步探讨OsSGL2是否也具有转录（抑制）活性以及其调控的下游基因等进行探索。
原文链接：https://doi.org/10.1093/jxb/erac068
