杨维才/李红菊评述 | 微肽大用: 种子脱水调控新机制

   种子是种子植物生活史的重要环节之一, 是世代交替中新一代植物。种子萌发后根据其贮藏特性, 可分为正常性种子(orthodox seeds)和顽拗性种子(rec­­alcitrant seeds)两大类。正常性种子包括大多数农作物的种子, 这类种子在成熟阶段主动脱水, 使其含水量大幅降低, 从而有利于种子的长期储存, 在合适的环境下才能萌发。这一特性不仅对植物适应干旱和低温等环境具有重要意义, 而且对谷物等粮食作物种子的收获和贮藏也非常重要。在现代农业生产中, 脱水速率是衡量作物品种种子成熟度和适应性的关键指标之一。机械化收获的推广使种子含水量成为影响农业生产效率的关键因素之一, 收获时过高的种子含水量将导致籽粒破损、霉变和储存困难, 增加后续干燥和储存的成本。

   种子脱水发生在种子成熟期, 是种子发育晚期的关键过程, 对种子活力和寿命至关重要。种子脱水伴随着多种生理变化, 包括贮藏蛋白的积累、膜稳定性增强以及细胞脱水保护机制的启动等, 这些过程由脱落酸和乙烯等激素信号通路调控(Angelovici et al., 2010)。但种子脱水的分子机制一直是未解之谜。

   微肽(micropeptides)是指由少于100个氨基酸残基构成的短肽, 一般含有20–30个氨基酸残基, 通常由非编码RNA和小开放阅读框(sORFs)编码。过去由于技术限制, 这些微肽常被忽视(Sousa and Farkas, 2018)。与传统的多肽和蛋白质相比, 微肽在分子量和结构上均较小, 然而它们在生物体中具有重要的生物学功能。近年来, 研究发现微肽在基因调控、细胞信号转导及免疫应答等多种生命活动中发挥重要作用(Vitorino et al., 2021)。随着高通量测序和蛋白质质谱技术的进步, 在动物和植物中发现了越来越多的微肽, 并逐步揭示出其在不同生理和病理过程中的潜在作用(Makarewich and Olson, 2017)。微肽在植物中也普遍存在(Gautam et al., 2023), 但其功能研究还处于起步阶段。

   玉米(Zea mays)是重要的粮食和经济作物, 是我国消耗量最大、产量最高及种植面积最大的作物。玉米籽粒收获时的含水量主要由生理成熟时籽粒含水量和成熟后脱水速率决定。玉米成熟期籽粒含水量一般较高, 介于30%–40%之间, 远高于机械化收获的适宜含水量(15%–25%), 这限制了机械化收获效率和种子品质。种子成熟后, 增加田间脱水时间可使玉米籽粒含水量达到机械化收获的要求。然而, 我国黄淮海玉米种植区采取玉米-小麦(Triticum aestivum)轮作制, 玉米晚收将影响小麦的种植时间, 甚至影响小麦产量。采取收获后晾晒或烘干等手段也会增加额外的人工和运输成本。在非轮作区(如东北地区), 成熟玉米不能快速脱水, 如果遇到温度骤降, 会增加后续机械化收获的风险。因此, 近年来, 随着我国农业机械化需求的增长, 籽粒直收成为玉米产业亟需突破的难题。

   最近一项研究发现了1个控制玉米种子脱水速率的微肽——microRPG1, 并为玉米机械化收获建立了遗传上可操控的位点和可能的策略(Yu et al., 2024)。通过DAN340和K22构建的重组自交系群体, Yu等(2024)定位到1个调控玉米种子成熟期脱水速率的关键QTL qKDR1。通过精细定位, 最终将qKDR1缩小到1 417 bp区间内, 并发现其是一段基因间区的序列, 该序列既不转录也不翻译。进一步研究表明, qKDR1所在的非编码区域上游10 kb处存在1个由短的开放阅读框(sORF)编码的功能肽基因RPG, 该基因能翻译出1个由31个氨基酸残基组成的微肽microRPG1。qKDR1通过招募转录因子ZmMYBST1和ZmMYBR43抑制RPG的转录, 导致RPG的表达量降低。microRPG1基因表达发生在种子发育晚期, 恰好是在种子内部营养积累完成之后开始脱水的阶段。研究表明, microRPG1可减慢种子的脱水速率, 使种子含水量保持在较高水平, 过表达microRPG1的转基因株系, 其籽粒的脱水速率显著减缓, 进一步支持了microRPG1的调控作用(图1)。这一特性表明microRPG1可能是玉米在进化过程中适应环境湿度变化的一种保护性机制。相反, 敲除microRPG1基因后, 玉米种子的脱水速率显著加快, 且籽粒最终含水量降低, 可使收获时的籽粒含水量下降1.8%–17.0%, 平均下降7.1%, 具体取决于环境和收获时背景的含水量。这些结果表明, microRPG1是调控玉米种子脱水速率的一个重要因子。

qKDR1通过招募ZmMYBST1和ZmMYBR43抑制RPG的转录, 导致RPG的表达量降低。NIL^K22等位基因的qKDR1 (qKDR1^K22)相比NIL^DAN340等位基因的qKDR1 (qKDR1^DAN340)具有更高的抑制活性。RPG编码1个由31个氨基酸残基组成的microRPG1微肽, 其通过抑制乙烯信号途径基因ZmEIL1和ZmEIL3的表达控制籽粒脱水。更低的微肽表达量导致更高的乙烯信号和更快的籽粒脱水。

qKDR1 suppresses the transcription of RPG by recruiting ZmMYBST1 and ZmMYBR43, resulting in a decrease in RPG expression. qKDR1 of the NIL^K22 allele (qKDR1^K22) has higher inhibitory activity compared to qKDR1 of the NIL^DAN340 allele (qKDR1^DAN340). RPG encodes a 31 amino acid microRPG1 micropeptide, which controls kernel dehydration by inhibiting the expression of the ethylene signaling pathway genes ZmEIL1 and ZmEIL3. Lower expression of micropeptides leads to higher ethylene signaling and faster kernel dehydration.

   进一步研究发现, microRPG1通过调控ZmEIL1和ZmEIL3这2个乙烯信号通路关键基因影响种子的脱水过程。ZmEIL1和ZmEIL3是乙烯信号通路中的转录因子, 其表达水平与种子成熟后的水分流失密切相关。microRPG1的表达抑制了ZmEIL1和ZmEIL3的表达, 从而延缓种子的脱水过程。研究还表明, 在脱水过程中施加外源乙烯能够显著加快籽粒水分流失, 表明乙烯信号通路在种子成熟和脱水过程中的重要性。为了验证其功能的普遍性, 研究人员用microRPG1微肽对拟南芥(Arabidopsis thaliana)进行处理, 发现microRPG1在拟南芥种子成熟过程中也具有相似的抑制脱水作用, 验证了该微肽在种子脱水中功能的普遍性。虽然分子演化分析显示, microRPG1微肽基因特异性存在于玉米中, 但在双子叶植物中可能也存在类似功能的微肽信号通路。这些结果为种子脱水调控的跨物种应用提供了新的方向和思路。

        microRPG1的发现不仅揭示了玉米种子脱水调控的新机制, 也为微肽在植物生长发育中的作用提供了有力证据。作为一类小分子调控因子, microRPG1在特定的发育阶段被精准调控, 展现出其生物学功能的重要性和应用潜力。在农业生产中,通过调控microRPG1的表达水平或施用microRPG1的类似物, 可以调节玉米种子的脱水速率, 使其更适合机械化收获和长期储存。在其它谷物特别是水稻(Oryza sativa)和小麦等高水分作物中可能也存在类似的微肽调控途径。此外, 研究还发现microRPG1调控乙烯信号通路, 这为解析植物适应环境压力的机制提供了新思路。乙烯在植物脱水、果实成熟及抗逆响应中的核心作用早已得到证实, 而microRPG1作为微肽通过精准调控乙烯信号途径, 为作物育种提供了更灵活和高效的手段。相较于传统的大规模基因编辑或激素处理, 微肽因分子量小且活性稳定而更易被植物吸收利用, 且可以特异地作用于特定发育阶段和组织, 这使其在农艺性状改良中的应用潜力巨大。

   尽管microRPG1微肽在调控玉米种子脱水中的重要作用已得到证实, 但具体分子机制尚待进一步研究。深入解析其分子调控机制, 将为种子脱水基础研究提供新的突破口, 为理解种子脱水和休眠的分子机制开辟新途径。首先, qKDR1非编码区与RPG基因启动子之间的相互作用机制有待研究, 这将有助于理解microRPG1在转录调控中的具体作用通路。其次, microRPG1是否与其它植物激素通路相互作用, 特别是脱落酸、茉莉酸和水杨酸通路的交互调控, 值得进一步探索。microRPG1的特异性表达模式可能受环境和激素调控, 使其具有高度的适应性, 但同时也增加了其调控网络的复杂性。再次, microRPG1微肽行使功能的方式是作为配体或信号分子独立发挥作用, 还是通过调节大的调控蛋白起作用, 也是未来需要解决的重要问题。此外, 为了验证microRPG1在其它作物中的功能和应用潜力, 今后可考虑在水稻和小麦中引入microRPG1基因, 观察其对种子脱水速率的影响。同时, 通过筛选更多植物中的潜在微肽, 有望探索出一类新的脱水调控因子, 为跨物种种子脱水研究提供新方向。最后, microRPG1及类似微肽的结构优化和功能研究具有广阔的应用前景, 通过设计类似于microRPG1的小分子化合物, 可进一步拓展其在植物育种和改良中的实际应用。

   综上所述, microRPG1的发现为理解种子脱水分子机理和改良玉米种子以适应机械化收获提供了重要范例, 提出了一种理解和调控植物种子脱水的全新视角, 并扩展了微肽在作物改良中的应用前景。随着研究的深入, 种子脱水调控的分子网络有望更加清晰化, 全面助力开发更适合于机械化采收的玉米品种, 提升农业生产效率与玉米种植收益。同时, 这一突破性研究也将推动植物中更多微肽基因的发现和功能鉴定。