陕西
苦荞是起源于我国喜马拉雅山区的重要双子叶杂粮作物，是高海拔冷凉山区和彝族等少数民族的主要粮食作物。苦荞富含黄 酮类化合物（如芦丁）和膳食纤维，具有调节血糖、降低胆固醇、抗氧化等保健功效，是新时期重要的健康作物。苦荞在长期进化过程中形成了对高海拔冷凉环境的强适应性，但对高温异常敏感。随着气候变化和产区的变迁，高温已成为影响苦荞产量的重要因素，特别在花发育时期高温会导致花器官发育异常、花粉活力降低、柱头可授性减弱，进而影响结实率和籽粒灌浆，显著影响籽粒大小，但其背后的遗传机制不清楚。此外，在高温条件下，苦荞的黄酮类化合物显著积累，这些化合物是否参与调控籽粒发育也尚未明确。
近日，中国农业科学院作物科学研究所周美亮研究员团队在The Plant Cell上发表题为“Phase separation of an FtAT-hook transcription factor regulates seed development under heat stress in Tartary buckwheat”的研究论文，该论文系统解析了转录因子FtAT-hook在高温条件通过发生液液相分离（LLPS）调控黄酮类物质合成和籽粒大小的分子机制。
为探究高温对苦荞籽粒大小的影响，研究团队利用200份苦荞核心种质在不同生态区开展籽粒表型检测，通过比较不同生态区的籽粒长宽比GWAS结果，结合转录组数据，在6号染色体鉴定一个显著位点，该位点与支链淀粉含量GWAS区间重合，功能研究发现该区间的FtAT-hook与FtERDL6（单糖转运蛋白）均负向调控种子大小，并且FtAT-hook能够正调控 FtERDL6的表达。亚细胞定位分析发现FtAT-hook蛋白受高温诱导后能发生液液相分离（LLPS），并且验证了不同区段的无序区（IDR）对于相分离的作用。利用蛋白质互作技术，发现FtASR可与FtAT-hook互作，进而影响FtAT-hook的相分离，且这种互作受高温调控。研究团队进一步评估了不同温度条件下，FtASR对 FtAT-hook蛋白相分离状态和转录调控活性的影响。 通过分析FtAT-hook转基因材料的黄酮代谢物含量，并结合转录组数据和EMSA等实验验证，发现FtAT-hook可以直接促进FtFLS（黄酮醇合成酶）的表达和促进黄酮类物质积累。非常有趣的发现是高温下积累的黄酮类化合物 山奈苷又可以反馈抑制FtAT-hook蛋白相分离，进而减弱FtAT-hook对下游基因的转录调控，从而缓解高温对苦荞籽粒发育的胁迫（图1）。在田间高温环境下，通过对苦荞外源喷施山奈苷能够显著缓解高温对植株的胁迫和籽粒大小的影响，这为高温下作物增产提供了新的思路。
图1. FtAT-hook高温下相分离调控苦荞种子发育的分子机制模式图
中国农科院作科所周美亮研究员为论文的通讯作者。中国农科院作科所已毕业博士生赖弟利、博士后李伟、助理研究员王志荣等为论文共同第一作者。贵州大学阮景军教授和程剑平教授也参与了部分研究指导工作。该研究得到了国家自然科学基金项目资助。
文章链接：
https://doi.org/10.1093/plcell/koag065
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