Brotweizen (Triticum aestivum L.) ist ein zentrales Grundnahrungsmittel, das etwa 20 % der vom Menschen verbrauchten Kalorien liefert. Das Korngewicht ist einer der drei Faktoren des Weizenertrags und auch der Schlüsselindex der Weizenzüchtung für hohen Ertrag. Während der Kornentwicklung ist der Nucellusvorsprung von Weizen am Nährstofftransport des Korns beteiligt, beeinflusst die Bildung der Kornspeicherkapazität und die Akkumulation von Speichermaterialien und beeinflusst dann das Korngewicht und die Verarbeitungsqualität.
Der programmierte Zelltod (PCD) der Nucellusprojektion beginnt eher im mittleren Stadium der Weizenkornentwicklung als im frühen Stadium. Bisher wurden nur wenige Studien zur Regulierung der frühen Entwicklung von Weizenkörnern veröffentlicht.
Kürzlich veröffentlichte die Forschungsgruppe von Liang Rongqi vom Wheat Genetics and Genomics Center der China Agricultural University einen Artikel mit dem Titel „TaMADS29 interagiert mit TaNF-YB1, um die frühe Getreideentwicklung in Brot synergistisch zu regulieren“. Wissenschaft China Biowissenschaften.
Es wurde festgestellt, dass der regulatorische Komplex aus TaMADS29 und TaNF-YB1 die Funktionen erfüllt, die die übermäßige Ansammlung von ROS hemmen, indem er die Gene reguliert, die an der Chloroplastenentwicklung und Photosynthese in sich früh entwickelnden Weizenkörnern beteiligt sind, und den Abbau der nuklearen Projektion und den Tod von Endospermzellen verhindert. Erleichterung des Transports von Nährstoffen in das Endosperm und vollständige Füllung der sich entwickelnden Körner.
Unter Verwendung der CRISPR/Cas9-Strategie wurden die TaMADS29-Knockout (KO)-Mutantenlinien generiert. Die tamads29-Mutanten zeigten einen schweren Kornfüllungsmangel und frühe Seneszenz, reziproke Kreuzungen zwischen tamads29 und WT zeigten, dass die defekten Samen auf den mütterlichen Defekt zurückzuführen waren.
Weizenkernprojektion und Endosperm werden während der mittleren und späten Phase des entscheidenden Ereignisses der Kornentwicklung einer PCD unterzogen. In dieser Studie zeigten die Trypanblau-Färbung und der TUNEL-Assay, dass die beschleunigte PCD in der Endosperm- und Kernprojektion von Tamads29-Mutanten bei 6 DAF präsentiert wird, gekoppelt mit einem Abbau von Kernprojektionszellen. Weitere Untersuchungen ergaben, dass sich die große Menge an ROS in den Körnern und den Chloroplasten der Karyopse von Tamads29-Mutanten angesammelt hat.
Die TEM-Beobachtung bestätigte die Entwicklungsdefekte im Chloroplasten, und diese Chloroplasten-Dysfunktion war immer mit hohen ROS-Spiegeln verbunden, die PCD auslösen können. Die Kernprojektion fungiert als Transfergewebe, um Nährstoffe (hauptsächlich in Form von Saccharose) von der Mutterpflanze zum Endosperm zu verteilen.
In Übereinstimmung mit dem Abbau der nuklearen Projektion in Tamads29-Mutanten wurde eine signifikante Verringerung des Saccharosegehalts in Tamads29-Körnern festgestellt; entsprechend waren die Saccharosegehalte in Fahnenblättern von Tamads29 signifikant erhöht; außerdem war die Bildung normaler Stärkekörner bei tamads29-Mutanten völlig mangelhaft.
Zusammengenommen unterstützen diese Beobachtungen, dass TaMADS29 für die Kornfüllung erforderlich ist und der Verlust von TaMADS29 zu einer Überakkumulation von ROS und einer Dysfunktion der Chloroplasten der Karyopse führt, gekoppelt mit einem früheren Abbau der nuklearen Projektion.
Transkriptomanalysen wurden unter Verwendung der 2, 4 und 6 DAF-Körner durchgeführt, die von Tamads29 und WT gesammelt wurden, die Ergebnisse zeigten, dass die meisten DEGs mit den Signalwegen im Zusammenhang mit ROS und Chloroplasten assoziiert waren. Die meisten Gene, die an der Chloroplastenentwicklung und Photosynthese beteiligt sind, wurden in Tamads29-Körnern herunterreguliert, und in den Promotorregionen der meisten dieser Gene wurden hochgradig zuverlässige MADS-Box-TF-bindende CArG-Box-Cis-Elemente nachgewiesen.
EMSA-, ChIP-qPCR- und Transkriptionsaktivierungsaktivitätsassays bestätigten die direkte Rolle von TaMADS29 bei der Transkriptionsaktivierung von TaFtsH1 und zeigten eine Schlüsselrolle von TaMADS29 bei der Regulierung relevanter ROS-Spiegel in Weizenkörnern über die Aktivierung von Genen im Zusammenhang mit der Chloroplastenentwicklung und Photosynthese.
Beim Screening der aus Weizenkorn stammenden Hefe-Two-Hybrid (Y2H)-cDNA-Bibliothek wurde festgestellt, dass die Kernfaktor-Y-Untereinheit NF-YB (TaNF-YB1) mit TaMADS29 interagiert. Transkriptionsaktivierungsaktivitätsassays zeigten, dass diese beiden TFs einen Transkriptionsaktivierungskomplex bilden, um die Aktivierung nachgeschalteter Zielgene zu verstärken. Die Null-Mutation in TaNF-YB1 verursachte ähnlich wie Tamads29-Mutanten eine Kornentwicklungsschwäche.
Zusammengenommen interagiert TaMADS29 mit TaNF-YB1, um einen Transkriptionsaktivierungsproteinkomplex zu bilden, der direkt die Transkription von Genen reguliert, die an der Chloroplastenentwicklung und Photosynthese beteiligt sind, die normale Struktur und Funktion von Chloroplasten sicherstellt, die Überakkumulation von ROS hemmt und den Zelltod verhindert Endosperm und Nucellarprojektion, erhält den Transport von Nährstoffen in das Endosperm aufrecht und ermöglicht die normale Kornfüllung.
Mehr Informationen:
Guoyu Liu et al., TaMADS29 interagiert mit TaNF-YB1, um die frühe Kornentwicklung in Brotweizen synergetisch zu regulieren, Wissenschaft China Biowissenschaften (2023). DOI: 10.1007/s11427-022-2286-0