华中农业大学博士生一作在植物科学一区Top期刊发表研究成果！

学术 2025-01-25 10:50 河南

近日，华中农业大学玉米团队在The Plant Cell发表了题为“An epiallele of a gene encoding a PfkB-type carbohydrate kinase affects plant architecture in maize”的研究论文。该研究克隆了一个编码PfkB型碳水化合物激酶的株型新基因，发现了该基因的一个表观等位基因，揭示了DNA甲基化调控该基因表达的功能，阐明了该基因调控核苷单磷酸和茉莉酸水平并调控玉米株型的新机制。

玉米株型是一个数量性状，涉及多分子网络的复杂调控。虽然目前已有相关基因克隆，但是我们对玉米株型发育的分子机制的认识依然有限。该研究鉴定到一个株型隐性突变体，命名为plant architecture 1 (par1)，par1表现多效表型，包括植株矮化、叶片变短变窄、叶夹角增大。有趣的是，该突变体与野生型的表型分离比并不符合典型的孟德尔分离比1:3。通过图位克隆获得了候选基因Par1，利用EMS和CRISPR缺失突变体、以及超表达材料验证了该基因的功能。

研究发现Par1基因内含子中CACTA转座子的从头插入是引起表型变异和分离比异常的原因。当CACTA纯合插入且CACTA上没有DNA甲基化时，Par1基因低表达，植株表现突变体表型；当CACTA纯合插入但CACTA上有DNA甲基化时，Par1基因正常表达，植株表现野生型表型。这些结果表明par1是个表观等位基因，也说明内含子区域转座子上的DNA甲基化对于基因的正常表达具有重要意义。

Par1编码phosphofructokinase B-type carbohydrate kinase（PfkB）家族蛋白。PAR1蛋白定位在叶绿体中，具有核苷激酶活性，可以磷酸化尿苷（U）、肌苷（I）、胞苷（C）、鸟苷（G）和腺苷（A）形成对应的核苷单磷酸。突变体中，核苷单磷酸含量显著降低。在田间对突变体进行体外喷施实验，发现核苷单磷酸处理能部分拯救突变体的表型。RNA-seq结果显示，突变体中差异表达的基因富集在多个途径，包括茉莉酸代谢和信号转导途径。激素测定表明，茉莉酸前体OPDA、JA及其衍生物JA-ILE在突变体中含量显著升高。用核苷单磷酸、JA合成抑制剂IBU对突变体进行处理，可以降低植株体内OPDA、JA和JA-ILE含量，部分挽救突变体表型。以上结果表明，PfkB型碳水化合物激酶影响核苷单磷酸和茉莉酸含量，调控玉米株型。这些结果为玉米理想株型的分子育种提供了新的靶位点与分子途径。

华中农业大学为该论文第一通讯作者单位，华中农业大学已毕业博士李若楠为该论文第一作者，华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室玉米团队李林教授和李青教授为该论文的共同通讯作者。华中农业大学严建兵教授、李文强副教授和美国明尼苏达大学Nathan Springer教授提供了指导。华中农业大学质谱平台刘红波高级工程师提供了帮助，华中农业大学测序平台和计算机平台提供了支持。华中农业大学已毕业硕士徐悦、博士后许强、硕士生唐静、博士生陈文清和骆志翔参与了该研究。华中农业大学博士生李凡提供了帮助。该研究得到国家重点研发计划专项、国家自然科学基金创新群体、高等学校学科创新引智计划的支持。

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