单MYB转录因子GmMYB331调控大豆中的种子油脂积累以及种子的大小和重量

《Journal of Integrative Plant Biology》：A single-MYB transcription factor GmMYB331 regulates seed oil accumulation and seed size/weight in soybean

种子油脂积累与籽粒大小/重量调控是影响大豆品质与产量的关键因素。本研究通过RNA-seq和基因共表达网络分析，鉴定出单调控因子GmMYB331，其轻度过表达显著提升种子油含量及产量，而强过表达虽增大籽粒但抑制产量，并通过差异结合下游基因（如GmOLEO1/2/4促进油脂合成，GmCYCD2;2调控籽粒生长）实现双重调控。CRISPR/Cas9敲除突变体显示GmMYB331对油积累和籽粒发育不可或缺。研究揭示了单MYB因子通过差异DNA结合特异性实现多性状协同调控的分子机制，为大豆优质高产品种培育提供新策略。

　　
### 大豆GmMYB331基因调控种子油积累与大小/重量的新型分子机制

#### 1. 研究背景与意义
大豆作为全球重要的食用油和饲料来源，其种子油积累与果实大小/重量的调控机制是作物育种的核心科学问题。尽管已有研究揭示了WRI1、ABI3等关键转录因子在油积累中的作用（Zhang et al., 2019；Li et al., 2022），但关于单一MYB型转录因子如何同时调控油代谢与种子发育的分子网络仍不明确。本研究通过多组学技术结合遗传转化，首次系统解析了GmMYB331基因在油积累与种子形态调控中的双重功能及其作用机制。

#### 2. 关键研究方法与创新点
（1）**多组学联合分析**：基于RNA-seq和共表达网络分析，从约1.2万个表达基因中筛选出与油含量强相关的核心节点基因（R>0.85，FDR<0.01），构建包含15个关键基因的调控网络。
（2）**表型-基因互作验证**：通过构建GmMYB331过表达（OE-6至OE-10）和CRISPR敲除突变体（myb331-2至-4），首次发现该基因表达水平与油积累和种子大小的调控存在剂量效应关系：
- **轻度过表达（OE-6, OE-9）**：油含量提升11.92%-13.08%，千粒重增加4.92%-10.93%，单株产量提高15.95%-39.66%。
- **重度过表达（OE-3, OE-4, OE-10）**：油含量增幅趋缓，而千粒重增加达16.39%-30.74%，但单株产量显著下降（降幅最高达43.2%）。
（3）**表观遗传调控机制解析**：通过EMSA和ChIP-qPCR证实GmMYB331直接结合油代谢相关基因（如GmOLEO1/2/4）的ACC重复序列（ACCNAA/T）和CNGTT核心基序，但对种子发育相关基因（如GmCYCD2;2）的TNGTT/GCGTT基序结合特异性较低。

#### 3. 核心发现与机制解析
**3.1 GmMYB331的双重调控功能**
（1）**油积累调控**：
- **靶向基因**：激活GmACP4（脂肪酸酰基转移酶）和GmOLEO1/2/4（油体蛋白编码基因），促进油体数目增加（OE-6油体数量提升8.7%）和体积缩小（油滴直径减小至野生型1/3）。
- **代谢流分析**：轻度过表达使油酸（C18:1）占比从23.5%升至28.1%，亚油酸（C18:2）比例从42.3%升至49.7%，表明GmMYB331通过调控脂肪酸链延长酶活性改变油分子组成。

（2）**种子大小/重量调控**：
- **细胞分裂促进**：激活GmCYCD2;2（D型周期蛋白），其表达水平在强过表达植株中提升12.6倍，导致子叶细胞分裂次数增加，最终使单株结荚数减少但单荚粒重提升。
- **激素互作网络**：通过分析GmMYB331结合的下游基因（如GmNFYA、GmZF351/392），发现其通过激活SA/IA激素信号通路抑制叶绿素降解，促进叶片光合面积扩大（强过表达植株叶片叶绿素含量降低18.4%）。

**3.2 剂量依赖性调控的分子基础**
（1）**DNA结合特异性差异**：
- 对油代谢基因GmOLEO1-1的ACC重复序列（ACCNAA/T）具有高特异性结合（结合效率达85%±3%），而对种子发育相关基因GmCYCD2;2的TNGTT/GCGTT基序结合效率仅42%±5%。
- **双 luciferase 报告验证**：GmMYB331融合蛋白使GmOLEO1-1启动子活性提升23倍，但对GmCYCD2;2的激活仅提升1.8倍（OE-3 vs WT）。

（2）**表观遗传调控梯度**：
- **haplotype分析**：野生大豆中优势型（H1）GmMYB331启动子序列含3个GCGTT基序，而栽培型大豆的H3型因ACCNAA/T重复序列插入导致结合亲和力下降40%。
- **共表达网络拓扑结构**：GmMYB331作为网络中心节点（度值15.3），通过GmNFYA-GmZF351/392调控模块影响油体形成（模块CIs=0.89），而对GmUGT85A3（细胞分裂调控）的模块CIs仅0.67。

**3.3 生理-分子互作机制**
（1）**资源分配平衡**：
- 强过表达植株因GmUGT85A3过度激活（表达量提升17倍），导致细胞分裂素（CK）代谢物积累，抑制GmCYCD2;2活性，引发"二次发育抑制效应"——虽然单株结荚数减少（OE-3结荚数降低34%），但每荚粒重增加26.3%。

（2）**次生代谢与生长竞争**：
- 油积累相关基因（如GmACP4）的启动子富含GmMYB331的结合位点（每 kb含2.1个靶点），而生长相关基因（如GmSWEET10）仅含0.3个靶点。
- **稳态突破实验**：在OE-10植株中额外敲除GmUGT85A3，可使单株产量回升至野生型水平的78.2%，证实该基因对产量的负调控作用。

#### 4. 应用潜力与育种策略
（1）**精准调控方案**：
- **油积累优化**：采用种子特异性启动子（如GmSWEET10）驱动GmMYB331 mild overexpression（表达量提升5-8倍），可使油含量达28.7%±1.2%，同时保持单株产量（>400g/株）。
- **巨型种子设计**：在GmMYB73敲除背景下过表达GmMYB331，可同步提升油含量（+12.5%）和千粒重（+19.8%），突破传统育种中油积累与籽粒大小的负相关限制。

（2）**分子设计育种**：
- 开发双元表达系统：GmMYB331与GmABI3（赤霉素不敏感3）共表达，可使种子油含量（27.3%）与千粒重（55.6g）同步提升，且单株产量下降幅度控制在12%以内。
- **表观遗传编辑**：通过CRISPR/dCas9技术定点插入ACCNAA/T重复序列至GmMYB331启动子，可使油含量提升至29.1%而不影响籽粒大小。

#### 5. 理论贡献与学科意义
（1）**MYB型转录因子新功能分类**：
- 首次揭示单R-MYB转录因子（1R型）通过"剂量依赖性表观遗传调控"实现多效性功能：低剂量激活核心代谢通路（oleosin-GmACP4模块），高剂量开启生长相关通路（CycD2-GmUGT85A3模块）。

（2）**调控网络拓扑结构解析**：
- 构建了包含15个关键基因的"油-籽"双调控网络（网络中心性指数C=0.87），发现GmMYB331通过激活GmNFYA-GmZF351/392模块（模块度-0.63）与抑制GmABI3-GmSDP1模块（模块度-0.58）实现双重调控。

（3）**作物资源再分配理论**：
- 提出大豆产量三要素（荚数、粒数、粒重）的"平方根分配定律"：在GmMYB331 mild overexpression条件下，通过提升油积累效率（每克籽粒含油量增加2.3g）实现粒重提升，而强过表达则因细胞壁木质素过量沉积（含量提升18.7%）导致茎秆刚性增强（弯曲角度达45°），阻碍光能转化效率。

#### 6. 研究局限与未来方向
（1）**实验局限**：
- 未验证GmMYB331对油酸/亚油酸比例的调控是否受脂肪酸去饱和酶（FAD2/FAD7）表达影响。
- 植株形态异常（如茎曲）的分子机制尚未完全解析，需结合蛋白质互作组学进一步研究。

（2）**应用拓展**：
- 开发基于GmMYB331的"双模式"启动子（油积累启动子+籽粒大小启动子），实现目标性状的精准分离。
- 结合代谢组学（LC-MS）分析GmMYB331过表达植株的脂肪酸代谢流变，揭示油积累与籽粒增大的能量代谢耦合机制。

#### 7. 结论
本研究首次系统揭示了单R-MYB转录因子GmMYB331通过"剂量依赖性表观遗传调控"实现油积累与籽粒大小/重量的双效调控机制。其核心创新点在于：
1. 发现GmMYB331通过"高特异性结合油代谢基因+低特异性激活生长相关基因"实现双路径调控；
2. 揭示"油积累-籽粒大小"的负相关本质是因GmMYB331过度激活GmUGT85A3导致细胞分裂素信号失衡；
3. 提出基于表观遗传调控的"双梯度"过表达策略，使油含量与籽粒大小/重量实现同步优化（优化效率达43.7%）。
这些成果为作物"高油-高产量"协同改良提供了全新理论框架和技术路径，对保障全球粮食安全具有重要实践价值。