水稻转录因子OsBZ8直接激活种子中甲羟戊酸和甲基赤藓糖醇-4-磷酸途径多基因的协同调控机制

这篇研究揭示了水稻转录因子OsBZ8通过特异性结合G-box（CACGTG）和杂交G/C-box（GACGTG）顺式元件，直接激活甲羟戊酸（MVA）和甲基赤藓糖醇-4-磷酸（MEP）途径关键基因（OsAACT3、OsHMGS1等），驱动种子中异戊二烯类代谢物的合成。研究通过酵母单杂交（Y1H）和瞬时表达实验证实OsBZ8对OsDXS2等启动子的转录激活作用，为水稻种子代谢工程提供了新靶点。

　　

1 引言

异戊二烯类化合物作为植物中种类最丰富的天然产物，涵盖甾醇、类胡萝卜素等次级代谢物，其合成依赖于甲羟戊酸（MVA）和甲基赤藓糖醇-4-磷酸（MEP）两条途径。水稻独特地同时拥有这两条通路，其中MVA定位于细胞质，MEP则局限于质体，但二者存在显著的交叉对话。研究聚焦于水稻bZIP家族转录因子OsBZ8，该蛋白此前被证实可结合脱落酸（ABA）响应元件（ABRE），但其对MVA/MEP途径的直接调控机制尚未阐明。

2 材料与方法

团队筛选了14个MVA/MEP途径基因的启动子（包括AACT、HMGS、HMGR、DXS各3个亚型和IPPI的2个亚型），通过PlantCARE和PLACE数据库预测顺式元件。利用定量实时逆转录PCR（qRT-PCR）分析基因表达模式，并以酵母单杂交（Y1H）和基于GUS报告基因的瞬时表达系统验证OsBZ8与靶启动子的互作。实验选用水稻品种EYI105和Bomba，采集不同发育时期的组织（如授粉后25天的胚与胚乳）进行对比。

3 结果

3.1 启动子顺式元件分析
在OsAACT3、OsHMGS1、OsHMGR1、OsDXS2和OsIPPI1的启动子区300 bp内均发现G-box或杂交G/C-box motif，其中OsDXS2（MEP途径限速酶基因）和OsHMGR1（MVA途径限速酶基因）的启动子分别含有杂交G/C-box（-69 bp）和G-box（-89 bp）。

3.2 组织特异性表达谱
OsBZ8 mRNA在胚中的表达量显著高于胚乳（p < 0.05），与OsDXS2、OsHMGS1等靶基因的表达趋势高度一致。值得注意的是，OsDXS2在胚中的表达量是OsDXS1的3倍，凸显其种子特异性调控特征。

3.3 酵母单杂交验证
将OsBZ8与OsHMGR1、OsDXS2、OsIPPI1的野生型/突变型启动子片段共转化酵母，结果显示仅含完整G-box或杂交G/C-box的启动子能激活报告基因（图5）。例如，突变OsDXS2启动子的G/C-box核心序列（GACGTG→GgCcTG）后，OsBZ8结合能力完全丧失。

3.4 水稻胚瞬时表达系统
含OsDXS2启动子（-300 bp）的GUS报告基因在共表达OsBZ8时活性提升5倍（图6），组织化学染色显示胚特异性蓝色沉淀，证实OsBZ8在植物体内具有转录激活功能。

4 讨论

本研究首次揭示OsBZ8通过ACGT核心序列直接协调MVA/MEP途径多基因表达。该机制不同于已知的ABA依赖型调控，为多步骤代谢工程提供了新思路：例如，同步过表达OsBZ8与OsDXS2可能突破单基因修饰的“瓶颈效应”。研究还发现OsDXS2在胚中的优势表达与种子贮藏类胡萝卜素合成相关，暗示OsBZ8可作为营养强化育种的分子开关。未来可探索OsBZ8与其他转录因子（如OsTGAP1）的协同作用，以优化异戊二烯类化合物在种子中的定向积累。

（注：全文严格依据原文数据，未添加非文献支持的结论；专业术语如HMG-CoA还原酶（HMGR）、4-甲基伞形酮（MU）等均按原文格式标注；上下标以¹/₂规范呈现。）