玉米作为全球最重要的粮食作物之一，其基因组稳定性对作物生产至关重要。为了应对环境中的DNA双链断裂（DSB），植物通常采用两种主要修复机制：同源重组（HR）和非同源末端连接（NHEJ）。尽管这两种修复机制在水稻、拟南芥等植物中已被广泛研究，但其在玉米中的具体作用机制尚不明确。
近日，中国农业大学在The Crop Journal在线发表了题为“Discrepant involvement of homologous repair and non-homologous end joining pathways in maize development and growth”的研究论文，揭示了HR和NHEJ两种DSB修复途径在玉米生长发育不同阶段对染色体稳定性和生长发育具有关键作用。
研究者首先对玉米两种DSB修复途径HR和NHEJ中的相关蛋白进行了鉴定，确认了ZmMRE11A、ZmRAD50、ZmNBS1、ZmKU70和ZmKU80蛋白的结构以及这些基因在玉米主要组织中的相对表达量（图1）。对HR途径中的mre11a和rad50突变体进行了表型鉴定，发现这些突变体在籽粒发育过程中表现出胚和胚乳的急剧退化（图2）。而参与NHEJ途径的ku70和ku80突变体均表现出明显的苗期矮化表型（图5）。通过细胞学分析，发现mre11a和rad50突变体在胚乳细胞中表现出染色体断裂和桥状结构（图3），而ku70和ku80突变体的根尖细胞在有丝分裂过程中表现出明显的染色体不稳定现象（图6）。这些结果表明，HR和NHEJ在玉米发育的不同时期分别发挥着重要作用：HR主要参与籽粒早期发育的DNA损伤修复，而NHEJ则在植株的营养生长期起到关键作用。此外，通过酵母双杂交和荧光素酶互补成像试验，研究者证实了ZmMRE11A能够与ZmRAD50和ZmNBS1相互作用，形成MRN复合体，从而共同参与玉米籽粒的正常发育（图4）。转录组分析表明，ku70和ku80突变体中共同差异表达的基因主要富集在细胞周期和有丝分裂等细胞学进程上，进一步验证了NHEJ途径在玉米生长发育阶段的重要性（图7）。该研究不仅揭示了HR和NHEJ在玉米中不同的功能机制，还为玉米育种和基因组稳定性研究提供了新的理论基础。研究成果对理解玉米在不同时期应对DNA损伤的选择机制具有重要意义，也为通过基因编辑手段提高作物基因组稳定性和抗逆性提供了新的思路。
图1 玉米HR和NHEJ途径相关蛋白结构与基因表达分析
图2 玉米mre11a和rad50突变体籽粒表型特征
图3 玉米mre11a和rad50的有丝分裂染色体行为
图4 ZmMRE11A、ZmRAD50和ZmNBS1的相互作用分析
图5 玉米ku70和ku80突变体的表型特征
图6 玉米ku70和ku80的有丝分裂染色体行为
图7 野生型和ku70、ku80突变体之间差异表达基因富集分析
作者和基金项目
中国农业大学农学院在读博士研究生赵双慧为该文第一作者，中国农业大学国家玉米改良中心贺岩教授和博士后刘婧含为共同通信作者。在读博士研究生郑雷鸣和李书玥参与了部分研究。该研究得到国家自然科学基金项目(32372116)的资助。
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