《细胞》杂志发表华中农大严建兵教授团队研究成果 - 为打开籽粒脱水这扇大门找到了一把有效的钥匙

创业   2024-11-13 06:36   上海  

编辑:智种网
来源:见文末

北京时间2024年11月12日晚,《细胞》(Cell)杂志在线发表了华中农业大学严建兵教授团队的研究论文“A Zea genus-specific micropeptide controls kernel dehydration in maize”,为打开籽粒脱水这扇大门找到了一把有效的钥匙。研究鉴定到一个影响籽粒脱水的小肽microRPG1,是玉米及其近缘种中特有的一种含31个氨基酸的新型小肽,由非编码序列从头起源,通过精确调节乙烯信号通路关键基因的表达来控制籽粒脱水。该研究首次揭示了玉米籽粒脱水的分子机制(图1),为快脱水宜机收玉米培育奠定重要基础。

玉米是我国种植面积最大、总产量最高的作物,但长期受限于缺乏快脱水的品种,玉米机械粒收水平较低,影响了生产效率和种植成本。迄今为止,控制籽粒脱水速率这一性状的基因很少被克隆,其潜在机制尚不清楚,这是难以通过遗传改良培育快脱水宜机收玉米品种的根本原因。

图1. microRPG1调控籽粒脱水的机制

研究团队围绕这一产业关键问题持续攻关,建立了籽粒脱水表型田间鉴定技术,利用该技术通过QTL定位,定位到四个影响籽粒脱水的QTL(图2A),本研究对其中一个主效QTL-qKDR1进行了精细定位,并成功缩小至1417-bp,发现是一段不编码任何蛋白也不转录的DNA序列,在目标区域双亲之间存在一个约6.2Kb的转座子序列(图2)。敲除双亲序列后,不管是否含有转座子,都能导致籽粒脱水速率显著降低。分析表明,qKDR1可能作为一个抑制子,抑制其上游约10Kb处一个名为RPG qKDR1 REGULATED PEPTIDE GENE)基因的表达。进一步研究发现,RPG就是qKDR1调控的目标基因,两个转录因子ZmMYBST1和ZmMYBR43可以结合到qKDR1而抑制RPG的表达。
 
图2. qKDR1是控制籽粒脱水的位点

RPG在玉米基因组中尚未被注释,是一个全新的基因。研究团队通过多种技术共同证明了RPG通过编码一段31个氨基酸的小肽发挥功能,命名为microRPG1。敲除microRPG1可加快脱水速率,超表达则显著降低脱水速率。进一步研究发现microRPG1可能通过调控乙烯信号途径中的关键基因ZmEIL1ZmEIL3的表达而影响脱水。RPG在授粉后26天的籽粒中表达,在38天达到最高,此时玉米籽粒灌浆基本结束,调控乙烯的表达可以促进籽粒的快速脱水,又不影响产量,实现了产量和脱水的平衡。这一发现也为下一步籽粒脱水的精准调控提供了新思路。

microRPG1和任何已知的小肽并不同源,在其它物种中也未被鉴定到,是玉米及其近缘种特有的,其如何起源是一个值得探究的问题。研究发现,该小肽仅在玉蜀黍属和摩擦禾属中存在同源序列,在禾本科的其他成员中没有。虽然相似的序列存在于摩擦禾属中,但缺乏起始密码子,不能翻译,无法行使功能。在玉蜀黍属中,一个核苷酸(ACG到ATG)的突变产生了新的起始密码子,导致一段非编码序列起始翻译,从头产生了一个新基因。系统发育树表明,该突变可能发生在65万年前玉蜀黍属和摩擦禾属分化之后(图3),该发现为新基因的起源提供了一个新的范例,也为从头创造新基因提供了方向。
 

图3. microRPG1小肽从头起源于一个非编码序列


这一独特的小肽在其它物种中是否起作用?研究团队体外合成该小肽并外源施加于拟南芥,发现可以显著延迟角果的成熟,并显著提高了拟南芥种子的水分含量。在拟南芥中超表达microRPG1,也能够显著延迟角果的成熟。拟南芥的根可以吸收小肽并可以被运输到地上部分。这些结果暗示microRPG1小肽在其它物种中可能具有保守的功能,这为进一步探索该小肽的应用价值提供了富有想象的空间。

适合机械化收获的玉米籽粒含水量要求在15%至25%之间,但我国大多数玉米品种在收获时的含水量通常在30%至40%之间。多年多点的试验表明,敲除microRPG1可使收获时的籽粒含水量下降2%至17%,平均下降7%,同时其他农艺和产量性状没有明显的变化。研究团队分析了数百份具有代表性的玉米种质材料,发现几乎所有的材料都存在RPG基因,意味着操纵RPG来改变籽粒脱水速率培育宜机收的品种具有巨大的应用潜力。据悉,团队围绕玉米籽粒脱水的精准调控已经布局多个专利,并授权未米生物公司开展商业化应用,目前已经取得良好进展。

作物遗传改良全国重点实验室、湖北洪山实验室、崖州湾国家实验室严建兵教授为该论文的通讯作者。博士研究生余延辉、刘塬方,青年教师李文强副教授为该论文的共同第一作者,华中农业大学刘衍军教授、欧阳亦聃教授、杨宁教授、肖英杰教授、赖志兵教授、殷平教授、卓琳老师,华中农业大学讲座教授David Jackson,未米生物科技有限公司许洁婷博士,华中科技大学薛宇教授,崖州湾国家实验室主任科学家刘海军研究员、贾安强博士,以及德国马普分子植物生理研究所Alisdair R. Fernie教授等多个团队的师生参与了该项工作或提供了有价值的讨论。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、湖北省科技厅重大项目及111计划等项目的支持。

论文链接(点击左下角阅读原文可跳转):
https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.10.030

文 | 余延辉

编辑 | 匡敏

审校 | 蒋朝常 晏华华 徐行 杨正莲


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