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。该研究首次揭示了禾谷类作物胚乳中外周区域与中央区域的功能划分及其调控的分子机制，阐明了外周胚乳防御功能与中央胚乳储藏功能之间的动态平衡。这一发现不仅丰富了对作物胚乳功能的理解，也为实现作物抗性与产量的协同改良提供了新的理论指导。禾谷类作物的胚乳是种子的主要组成部分，主要储藏淀粉和蛋白质等营养物质，对全球粮食安全至关重要。然而，作为营养储藏库，胚乳容易受到真菌和害虫等生物胁迫的威胁。ICE1（Inducer of CBF Expression 1）是调控植物应对非生物胁迫（如冷胁迫）的关键转录因子。在禾谷类作物中，ICE1进化出一个特化的同源蛋白ICE1a。研究团队发现玉米中的ZmICE1a在胚乳发育中具有新的调控功能，这一发现拓展了对ICE1功能的认识。研究发现，ZmICE1a在玉米胚乳中高度表达，尤其在外周胚乳（包括传递层、糊粉层和亚糊粉层）中表现出优势表达。通过整合CUT&Tag-seq、RNA-seq以及突变体分析等技术手段，研究团队发现，ZmICE1a能够促进中央胚乳的淀粉合成，进而提高籽粒的粒重。同时，ZmICE1a通过负向调控胚乳外周区域中的抗菌小肽等防御基因，抑制胚乳内真菌的繁殖。研究表明，ZmICE1a在中央胚乳的储藏功能与外周胚乳的防御功能之间起到了核心平衡作用。进一步研究揭示，不同植物激素对胚乳外周区域的防御响应具有分区调控功能。其中，生长素（IAA）主要调控传递层中特异表达的抗菌基因，而茉莉酸（JA）则调控糊粉层和亚糊粉层中特异表达的抗菌和抗虫基因，二者形成区域性互补，共同增强胚乳的抗性。重要的是，ZmICE1a负向调控IAA和JA的生物合成，进而间接调控外周胚乳中的防御响应。此外，ZmICE1a还与ZmJAZ9相互作用，揭示了其在JA信号通路中对防御基因MPI的调控作用。总体而言，该研究通过揭示ZmICE1a的新调控功能，系统地阐明了禾谷类作物胚乳防御与储藏平衡的分子调控机制，为深入理解作物抗性与产量之间的复杂关系提供了理论支持。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。
