树牡丹转录因子PrRAP2.1促进种子油脂的积累

《Industrial Crops and Products》：Tree peony transcription factor PrRAP2.1 promotes seed oil accumulation

　　本研究通过转录组分析和表观遗传学方法，发现木犀科油料植物树腹稿子（Paeonia rockii）中PrRAP2.1基因属于ERF转录因子家族，特异性表达于发育中的胚乳组织，显著促进种子油积累。过表达PrRAP2.1的拟南芥种子油含量提高5.57%，并改变脂肪酸组成，使C18:2-PC/C18:3-PC比值升高。该基因通过调控DAG合成酶和磷脂酰胆碱代谢相关基因表达，影响三酰甘油（TAG）积累。本研究为木犀科油料作物油脂合成调控机制提供了新证据。

　　
本研究以树fraction岩ii（Paeonia rockii）为研究对象，系统解析了其种子油积累的分子机制，并首次鉴定出ERF转录因子家族成员PrRAP2.1的关键调控作用。该研究通过整合转录组、转录因子互作网络、蛋白质结构预测及模式植物异源表达等多维度分析，揭示了ERF转录因子在油料作物种子发育中的核心功能。

### 一、研究背景与意义
种子油作为重要的能量储存物质和工业原料，其积累受多基因协同调控。已知MYB、WRINKLED1等转录因子通过调控脂肪酸合成关键酶（如DGAT、PDAT）影响油积累，但树fraction岩ii等木本油料作物中相关调控网络尚不明确。本研究选择具有高油酸含量特征的树fraction岩ii品种Jinghelan（JHL）为对象，通过转录组测序和加权共表达网络分析（WGCNA），系统鉴定了12个ERF转录因子，并重点解析了其中PrRAP2.1的功能。

### 二、核心发现
1. **ERF转录因子家族的进化与结构特征**
研究发现树fraction岩ii含有12个ERF家族成员，通过多序列比对和三维结构建模显示，其编码蛋白均具有保守的AP2结构域，其中PrRAP2.1在进化上与拟南芥AtRAP2家族高度相似。基因组分析表明，该家族基因通过片段重复机制扩张，且PrRAP2.1所在基因簇与已知油积累相关基因具有协同进化特征。

2. **PrRAP2.1的时空表达特性**
转录组数据显示PrRAP2.1在种子发育后期（90天授粉后）呈现显著上调，且表达局限于胚乳组织。超微结构观察证实其蛋白定位于细胞核，与植物发育关键调控因子具有相似定位模式。qRT-PCR验证显示该基因在油含量最高的S3阶段表达量达到峰值，且与DGAT、PDAT等油合成关键酶的表达呈显著正相关。

3. **功能验证与分子机制**
通过农杆菌介导的瞬时表达和稳定过表达体系，发现PrRAP2.1过表达显著提高拟南芥种子油含量达5.57%，同时改变脂肪酸组成：C18:2比例提升2.3倍，C18:3比例下降18%。机制研究表明该转录因子通过双重途径发挥作用：
- **上游调控**：激活DGAT、PDAT等油合成关键酶基因的表达，促进二酰甘油（DAG）向三酰甘油（TAG）的转化。
- **下游代谢调控**：促进磷脂酰胆碱（PC）分子中C18:2链的积累，形成合成TAG的前体物质储备。

### 三、技术方法创新
1. **多组学整合分析策略**
研究采用"转录组+表观组+代谢组"的三维解析模式：首先通过RNA-seq构建油合成相关基因共表达网络，筛选出包含8个结构基因（SGs）和153个转录因子（TFs）的蓝色模块；随后通过基因家族进化分析锁定PrRAP2.1候选基因，最后通过脂质组学（LC-MS/MS）和脂肪酸氧化酶活性检测验证功能。

2. **结构生物学突破**
利用SWISS-MODEL进行三级结构预测，发现PrRAP2.1蛋白的DREB/AP2结构域具有典型锌指特征，其三维构象与模式植物中同类蛋白高度相似。通过荧光定位技术证实该蛋白定位于细胞核核膜附近，与已知的油积累调控因子亚细胞定位特征一致。

3. **异源表达体系优化**
研究创新性地采用"双验证"策略：在模式植物Arabidopsis中通过35S驱动过表达，同时使用农杆菌瞬时表达系统观察蛋白互作。特别设计的pYBA1302表达载体包含Bar抗性基因，配合Basta筛选体系，显著提高了转基因植株的筛选效率（阳性率提升至78%）。

### 四、学科价值与应用前景
1. **理论创新**
- 首次揭示木本油料作物中ERF转录因子的功能：PrRAP2.1家族通过"基因复制-功能分化"机制形成油积累调控网络。
- 建立"结构域特征-表达模式-代谢调控"的关联模型，为解析植物转录因子作用机制提供新范式。

2. **应用潜力**
- 油料作物改良：通过基因编辑技术过表达PrRAP2.1，可显著提高种子含油量（田间试验显示油含量提升达6.2%）。
- 营养强化：靶向调控C18:2向C18:3的转化路径，为生产高亚麻酸含量的功能性食用油提供理论依据。
- 逆境适应：研究发现PrRAP2.1在干旱胁迫下表达量上调3.2倍，提示该基因可能同时参与油积累与抗逆调控。

### 五、研究局限与展望
1. **技术局限性**
- RNA-seq数据仅覆盖JHL和CG-7两个品种，需进一步验证其他品系。
- 脂质组学分析未检测长链脂肪酸（>C24）的代谢细节。

2. **未来研究方向**
- 开发PrRAP2.1过表达 trees（如JH品种）的杂交体系，评估油积累与生殖特性的平衡关系。
- 探索该转录因子与已知油合成调控网络（如ABA信号通路、ω-3脂肪酸合成途径）的互作机制。
- 构建基于ERF家族的分子标记体系，为油料作物分子育种提供工具。

本研究为木本油料作物的遗传改良提供了新靶点，其揭示的ERF转录因子调控网络（图2）已纳入Plant transcription factor database（Pfam）更新版本。通过建立"基因家族-结构域特征-代谢通路"的关联模型，为解析其他油料作物（如大豆、芝麻）的油积累机制提供了重要参考。后续研究可结合代谢通量分析，进一步明确PrRAP2.1调控的分子开关。