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

生信宝典 · 公众号 · 生物 · 2024-12-23 21:00

正文

2024年11月12日，华中农业大学严建兵团队在Cell在线发表了题为A Zea genus-specific micropeptide controls kernel dehydration in maize 的研究论文，揭示了玉米籽粒脱水的分子机制。该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编码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。研究结果为快脱水宜机收玉米培育奠定了重要基础。

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（Kernel dehydration rate, KDR）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。

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1A）。该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1)。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1. 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2），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2. 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。

图3. microRPG1调控籽粒脱水的机制

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。