bHLH7-PDF2转录调控模块抑制拟南芥种子油脂积累的分子机制解析

为解决种子油脂积累调控网络中转录因子(TFs)互作机制不明的问题，西北农林科技大学Chen Mingxun团队发现bHLH7与PDF2通过形成蛋白互作模块，直接抑制MYB96、PDH-E1β1等油脂合成关键基因表达，负调控拟南芥种子油脂积累。该研究为作物油脂产量遗传改良提供了新靶点，发表于《Plant Communications》。

　　

种子是植物储存营养物质的重要器官，其中油脂以三酰甘油(TAG)形式存在，不仅是种子萌发的能量来源，更是人类膳食油脂和生物燃料的重要原料。随着全球对植物油需求的持续增长，解析种子油脂积累的调控机制成为植物科学领域的重要课题。虽然已知LEAFY COTYLEDON2(LEC2)、WRINKLED1(WRI1)等转录因子参与调控油脂合成，但不同转录因子家族间的协同调控机制仍存在大量空白。特别是对于具有典型碱性螺旋-环-螺旋(bHLH)结构和同源异型盒-亮氨酸拉链(HD-Zip)结构的转录因子如何互作调控油脂合成，目前知之甚少。

西北农林科技大学农学院作物抗逆与高效生产国家重点实验室的Chen Mingxun课题组，通过系统研究发现了bHLH家族成员bHLH7与HD-Zip IV家族成员PROTODERMAL FACTOR2(PDF2)共同构成一个新型转录抑制模块，精细调控拟南芥种子油脂积累的过程。这项重要研究成果发表在植物学领域知名期刊《Plant Communications》上。

研究人员采用了多种分子生物学和遗传学技术手段开展研究。通过T-DNA插入突变体筛选获得bhlh7和pdf2功能缺失突变体，利用气相色谱测定种子脂肪酸组成；构建35S启动子驱动的过表达株系进行功能回复验证；采用RNA-seq技术分析差异表达基因；通过酵母双杂交(Y2H)、双分子荧光互补(BiFC)等技术验证蛋白互作；运用染色质免疫沉淀(ChIP-qPCR)和双荧光素酶报告系统鉴定靶基因；建立糖皮质激素受体(GR)诱导表达系统分析基因直接调控关系。

研究首先发现bHLH7在发育种子中高表达。通过分析两个独立突变体bhlh7-1和bhlh7-2，发现种子总脂肪酸含量显著增加，其中硬脂酸(C₁₈:0)、亚麻酸(C₁₈:3)和花生酸(C₂₀:0)含量升高，而油酸(C₁₈:1)和亚油酸(C₁₈:2)含量降低。RNA-seq分析显示bhlh7-2突变体中6053个基因上调表达，包括多个油脂合成相关基因。关键酶活性检测证实丙酮酸脱氢酶(PDH)、乙酰辅酶A羧化酶(ACC)和脂肪酸合酶(FAS)活性显著增强。

通过GR诱导系统筛选发现，bHLH7直接抑制LEC2、WRI1、MYB96、PKp3、PDH-E1α、PDH-E1β1、PDH-E1β2和BCCP1等8个基因的表达。ChIP-qPCR和酵母单杂交(Y1H)实验证实bHLH7通过结合这些基因启动子区的E-box(CANNTG)元件发挥转录抑制作用。

研究进一步通过Y2H筛选发现bHLH7与PDF2存在相互作用。互作域分析表明，bHLH7的HLH结构域(80-205 aa)与PDF2的START结构域(157-480 aa)是互作关键区域。Split-Luc和Co-IP等实验在体内外验证了这一互作。遗传分析显示pdf2突变体与bhlh7类似，表现出种子油脂含量增加的表型。

机制研究发现，bHLH7与PDF2协同抑制MYB96、PDH-E1β1、PDH-E1β2和BCCP1的表达。双突变体bhlh7 pdf2表现出加性效应，油脂含量高于单突变体。研究人员还首次证实PDH-E1β1通过催化丙酮酸生成乙酰辅酶A促进油脂合成，是bHLH7-PDF2模块的下游效应因子。

这项研究揭示了bHLH7-PDF2转录调控模块抑制种子油脂积累的分子机制：bHLH7与PDF2蛋白互作，协同结合MYB96、PDH-E1β1等基因启动子，抑制其转录表达，进而负调控油脂合成。该发现不仅完善了种子油脂合成的转录调控网络，为理解不同转录因子家族间的协同调控提供了新视角，更重要的是为通过遗传操作精准调控作物种子油脂含量提供了分子靶点。由于bHLH和HD-Zip转录因子在植物中高度保守，这一调控机制有望应用于油菜、大豆等重要油料作物的遗传改良，对保障全球植物油供给安全具有重要意义。