乙烯响应因子HvERF72调控大麦中的淀粉合成及B型淀粉颗粒的形成

《Carbohydrate Polymers》：Ethylene-responsive factor HvERF72 regulates starch synthesis and B-type starch granules initiation in barley

本研究通过 CRISPR/Cas9 技术创制 HvERF72 敲除突变体和过表达植株，发现 HvERF72 通过结合 GCC 盒抑制 HvSS2a 和 HvSBEI 基因转录，调控燕麦淀粉合成及颗粒形成。突变体淀粉含量增加，B型颗粒增多，过表达植株则相反。该研究揭示了 HvERF72 在碳分配和品质改良中的关键作用，为燕麦育种提供新靶点。

　　这项研究揭示了HvERF72在大麦淀粉生物合成和颗粒形成中的关键作用。大麦作为全球第四大粮食作物，其产量和质量对农业经济和食品工业具有重要影响。淀粉是大麦籽粒干物质的主要组成部分，占约70%，不仅影响籽粒的产量，还决定了其加工性能和工业应用价值。然而，目前对于淀粉生物合成的调控机制，特别是淀粉颗粒的形成和结构组织，仍存在诸多未知。

在研究过程中，科学家们利用CRISPR/Cas9技术构建了HvERF72的敲除突变体，并观察到这些突变体中B型淀粉颗粒的形成显著增加，同时总淀粉含量也有所上升。相比之下，HvERF72的过表达则导致淀粉积累减少，B型颗粒的形成受到抑制。这一现象表明，HvERF72可能在淀粉生物合成过程中发挥负调控作用。进一步的转录分析显示，在15天开花后（DAF）的籽粒中，关键的淀粉合成基因如HvAGPL1、HvAGPS1、HvSS2a、HvSBEI、HvSBEIIb和HvGBSSI在敲除突变体中显著上调，而在过表达植株中则下调。这表明HvERF72可能通过直接调控这些基因的表达来影响淀粉的合成和颗粒形成。

研究还发现，HvERF72能够直接结合到HvSS2a和HvSBEI基因启动子区域的GCC-box调控元件上，从而抑制它们的转录。这种调控机制为理解大麦中淀粉生物合成的调控网络提供了新的视角。HvERF72的这种双重功能不仅影响淀粉的积累，还对B型颗粒的形成产生调控作用，从而对大麦的工业品质和产量产生深远影响。

此外，研究团队还分析了HvERF72的表达模式和亚细胞定位。通过先前的研究，科学家们已经鉴定了185个属于HvAP2/ERF家族的基因，并发现了其中的64个新成员，同时修正了一些错误标注或重复的基因。值得注意的是，一个ERF亚家族的成员表现出与淀粉合成基因相似的时空表达模式，并且在发育中的籽粒中显示出强烈的表达。这进一步支持了HvERF72在淀粉合成过程中的关键作用。

研究团队还对HvERF72的结构和功能进行了深入探讨。AP2/ERF超家族是植物中功能最为多样化的转录因子之一，通常分为DREB、ERF、AP2和RAV亚家族，根据其特定的DNA结合结构域进行分类。大量研究表明，AP2/ERF转录因子在植物发育和非生物胁迫响应中发挥核心作用。然而，这些转录因子在淀粉生物合成中的具体调控机制仍未完全阐明。HvERF72作为AP2/ERF家族的一员，可能通过特定的调控方式影响淀粉的合成过程。

通过构建基因敲除和过表达的转基因植株，研究团队观察到了不同的表型变化。敲除突变体中淀粉颗粒的数量和体积增加，而过表达植株则表现出淀粉积累减少。这些表型变化不仅反映了HvERF72在淀粉生物合成中的调控作用，还可能对大麦的加工性能和工业价值产生影响。例如，淀粉颗粒的结构和形态决定了其在食品加工中的物理特性，如糊化温度、粘度和稳定性。因此，HvERF72的调控作用可能对大麦的食品工业应用具有重要意义。

研究还涉及基因构建和植物转化的过程。科学家们设计了两个针对HvERF72的单引导RNA（sgRNA），并利用Cas-OFFinder工具预测了潜在的脱靶位点，确保sgRNA仅针对HvERF72基因。此外，通过查询Ensembl Plants数据库，确认了只有单一的基因受到目标位点的影响，从而降低了基因编辑的非特异性风险。这一过程为后续的实验研究奠定了基础，使得HvERF72的调控作用能够被准确地分析和验证。

在数据分析方面，研究团队使用了RNA-seq技术对三个独立的T2代纯合敲除突变体（koL3–3-1、koL12–4-1、koL20–6-2）和野生型对照（GP）进行了比较分析。籽粒样本在15天开花后（DAF）采集，每个突变体和对照均设有三个独立的生物重复，共计12个样本。通过使用Poly-A Purification TruSeq Library Kit构建测序文库，并在Illumina HiSeq? 2500平台上进行测序，研究团队获得了大量高质量的转录组数据。这些数据不仅揭示了HvERF72对淀粉合成相关基因的调控作用，还为理解大麦中淀粉生物合成的调控网络提供了新的线索。

综上所述，这项研究揭示了HvERF72在大麦淀粉生物合成和颗粒形成中的关键作用。HvERF72作为AP2/ERF家族的一员，通过直接结合到关键淀粉合成基因的启动子区域，调控它们的表达，从而影响淀粉的积累和颗粒形成。这些发现不仅为大麦的分子育种提供了新的靶点，还为优化大麦的产量和工业品质提供了理论依据。未来的研究可以进一步探索HvERF72与其他调控因子之间的相互作用，以及其在不同环境条件下的调控机制，从而更全面地理解大麦中淀粉生物合成的调控网络。