Cell | 华中农业大学严建兵团队解析籽粒脱水机制为宜机收玉米品种培育找到新钥匙

学术 2024-11-12 23:37 湖北

2024年11月12日晚，《细胞》杂志在线发表了华中农业大学严建兵团队的研究论文“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，导致玉米籽粒机械化收获面积还不到15%，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

研究团队围绕这个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ZmEIL1和ZmEIL3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

这样一个独特的小肽在其它物种中是否起作用呢？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，崖州湾国家实验室刘海军主任科学家、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：

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(24)01212-1

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