全球气温的升高严重威胁着全球农业生产和粮食安全。糯玉米作为我国重要的特用玉米，其不仅是重要的鲜食玉米，更是酿造、食品和工业生产中的重要原料。然而，灌浆期间频繁的高温天气，不仅造成糯玉米产量下降，也导致籽粒品质变劣。胚乳是谷物中碳水化合物和营养物质积累的重要部位，其早期发育是决定玉米籽粒发育的关键阶段。但是，籽粒建成期的高温胁迫限制了胚乳细胞的增殖和分裂，导致籽粒败育或停止发育。因此，迫切需要采取措施以减少和适应高温的威胁。水杨酸 （SA） 是一种酚类化合物，是一种重要的植物激素和信号分子，可调节植物生长和抗逆性。外源 SA 可以通过提高作物在籽粒灌浆阶段的光合性能和抗氧化能力来减少高温损伤。然而，目前的研究大多集中在叶片上，很少关注籽粒发育，且关于SA的分子调控机制的研究也很少。
近日，扬州大学陆大雷教授团队在《Plant Stress》（IF=6.8）杂志在线发表了题为“Salicylic acid promotes endosperm development and heat-tolerance of waxy maize (Zea mays L. var. ceratina Kulesh) under heat stress”的研究论文，作者通过分析胚乳的生理特性、转录组学和代谢组学，解析了SA在高温下调节糯玉米胚乳发育和产量形成的潜在机制。
作者以京科糯2000（耐热型）和苏玉糯5号（热敏型）两个糯玉米品种为研究对象，在授粉后喷施SA处理，随后进行1-15天的高温胁迫。与高温相比，SA通过提高籽粒最大灌浆速率、平均灌浆速率、延长籽粒灌浆持续时间，最终提高了两个糯玉米品种的穗粒数、粒重和产量（图1）。同时，外源SA缓解了高温对玉米果穗形态的抑制作用（图1E）。对胚乳切片观察发现，早期的高温减少了胚乳细胞数目，而外源SA减轻了这一影响（图2B）。此外，流式细胞仪检测结果表明，高温增加了胚乳细胞3C水平细胞核的比例并降低了12C细胞核的比例，而外源SA改变了这个比例，这有利于胚乳细胞的增殖（图2D）。外源SA通过激活抗氧化系统，抑制了胚乳氧化衰老。胚乳的转录组和代谢组结果表明，外源SA通过调节蔗糖和淀粉的代谢，促进了高温下胚乳中蔗糖和淀粉的生物合成和积累。SA通过稳定植物激素水平及其信号转导途径，以及激活α-亚麻酸代谢和茉莉酸信号通路，调控了耐热型品种胚乳的耐热性。另外，SA通过协同苯丙素和类黄酮生物合成途径，调控了热敏感型品种胚乳的耐热性。同时，从苯丙素和类黄酮生物合成及茉莉酸信号通路中筛选出的三个关键基因Zm00001eb157170、Zm00001eb242600和Zm00001eb193790，在酵母细胞中过表达后，均提高了酵母的耐热性。综上所述，SA处理引起的生理、生化、转录和代谢水平变化是提高玉米胚乳耐热性的基础。这些研究成果对于指导气候变暖下糯玉米的田间生产和减少高温造成的产量损失具有重要意义。
图1. SA对高温下糯玉米籽粒产量相关性状的影响
图2. SA对高温下糯玉米胚乳细胞的影响
图3. SA对高温下糯玉米胚乳耐热性和产量形成的调控作用
扬州大学农学院郭剑副教授与扬州大学农学院博士生王子陶为该论文共同第一作者，扬州大学农学院陆大雷教授为该论文通讯作者。扬州大学农学院李广浩副教授和江苏省农业科学院粮食作物研究所陈艳萍研究员也参与了相关工作。该研究得到了国家自然科学基金（32201903,32071958）、江苏省自然科学基金（BK20210792）、中国博士后科学基金（2021M702766）及江苏高校优势学科建设项目，扬州大学高端人才支持计划，江苏省种业振兴揭榜挂帅项目（JBGS [2021] 053）的资助。
原文链接： https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2667064X24003373#fig0001
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