2024年11月27日，中国农业大学宋任涛教授团队在国际权威期刊《Nature Plants》在线发表了题为“ZmICE1a regulates the defence-storage trade-off in maize endosperm”的研究论文。这项研究首次揭示了禾本科作物胚乳中边缘区与中心区的功能差异及其调控机制，解释了边缘胚乳的防御作用与中心胚乳的储存作用之间的动态平衡关系。这项成果不仅深化了我们对作物胚乳功能的认识，还为作物抗逆性和产量的同时提升提供了新的理论依据。
研究指出，禾本科作物的胚乳作为种子的主要部分，负责储存淀粉和蛋白质等营养物质，对于确保全球粮食安全具有重要作用。但与此同时，由于其富含营养，胚乳也容易遭受真菌和昆虫等生物因素的侵扰。ICE1是一种已知能调节植物对抗非生物压力（例如寒冷）的转录因子。在禾本科作物中，ICE1演化出了一个特殊的同源蛋白——ICE1a。宋教授团队的研究表明，玉米中的ZmICE1a在胚乳发育过程中扮演了新的调节角色，这一发现拓宽了对ICE1功能的理解。
研究团队利用多种先进技术和方法，包括CUT&Tag-seq、RNA-seq及突变体分析，发现了ZmICE1a在玉米胚乳特别是外周胚乳（含传递层、糊粉层和亚糊粉层）中的高表达特性。他们证明，ZmICE1a不仅促进了中心胚乳的淀粉合成，增加了籽粒重量，还能通过下调外周胚乳中的抗菌肽等防御基因表达，有效抑制真菌生长。这表明ZmICE1a在中心胚乳的储存能力和外周胚乳的防御能力之间发挥着核心的调和作用。
更深入的研究显示，不同的植物激素对外周胚乳的防御反应具有区域性的调控效果。例如，生长素（IAA）主要影响传递层中特定抗菌基因的表达，而茉莉酸（JA）则调控糊粉层和亚糊粉层中特定的抗菌和抗虫基因表达，两者相辅相成，共同加强胚乳的整体抵抗力。值得注意的是，ZmICE1a通过负调控IAA和JA的生物合成，间接影响外周胚乳的防御机制。此外，ZmICE1a与ZmJAZ9的相互作用，揭示了它在JA信号通路中对防御基因MPI调控的重要性。
总的来说，这项研究通过解析ZmICE1a的新功能，全面阐述了禾本科作物胚乳防御与储存平衡背后的分子调控机制，为理解作物抗逆性与产量之间错综复杂的关系提供了重要的理论基础。
本研究由中国农业大学农学院、国家玉米改良中心、玉米生物育种全国重点实验室、分子设计育种前沿科学中心和三亚研究院宋任涛教授团队完成。王群 博士为第一作者，宋任涛 教授和 马泽阳 副教授为共同通讯作者。参与研究的还有上海大学 冯帆 博士和 祁巍巍 副教授，中国农业大学 何永辉 博士（现就职于扬州大学）以及 张克春 硕士。研究得到了国家自然科学基金、科技创新2030-农业生物育种重大项目和国家重点研发计划的资助支持。
