北京時(shí)間2024年11月12日晚，《細(xì)胞》（Cell）雜志在線(xiàn)發(fā)表了華中農(nóng)業(yè)大學(xué)嚴(yán)建兵教授團(tuán)隊(duì)的研究論文“A Zea genus-specific micropeptide controls kernel dehydration in maize”，為打開(kāi)籽粒脫水這扇大門(mén)找到了一把有效的鑰匙。研究鑒定到一個(gè)影響籽粒脫水的小肽microRPG1，是玉米及其近緣種中特有的一種含31個(gè)氨基酸的新型小肽，由非編碼序列從頭起源，通過(guò)精確調(diào)節(jié)乙烯信號(hào)通路關(guān)鍵基因的表達(dá)來(lái)控制籽粒脫水。該研究首次揭示了玉米籽粒脫水的分子機(jī)制，為快脫水宜機(jī)收玉米培育奠定重要基礎(chǔ)。
玉米是我國(guó)種植面積最大、總產(chǎn)量最高的作物，但長(zhǎng)期受限于缺乏快脫水的品種，玉米機(jī)械粒收水平較低，影響了生產(chǎn)效率和種植成本。迄今為止，控制籽粒脫水速率這一性狀的基因很少被克隆，其潛在機(jī)制尚不清楚，這是難以通過(guò)遺傳改良培育快脫水宜機(jī)收玉米品種的根本原因。
研究團(tuán)隊(duì)圍繞這一產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵問(wèn)題持續(xù)攻關(guān)，建立了籽粒脫水表型田間鑒定技術(shù)，利用該技術(shù)通過(guò)QTL定位，定位到四個(gè)影響籽粒脫水的QTL，本研究對(duì)其中一個(gè)主效QTL-qKDR1進(jìn)行了精細(xì)定位，并成功縮小至1417-bp，發(fā)現(xiàn)是一段不編碼任何蛋白也不轉(zhuǎn)錄的DNA序列，在目標(biāo)區(qū)域雙親之間存在一個(gè)約6.2Kb的轉(zhuǎn)座子序列。敲除雙親序列后，不管是否含有轉(zhuǎn)座子，都能導(dǎo)致籽粒脫水速率顯著降低。分析表明，qKDR1可能作為一個(gè)抑制子，抑制其上游約10Kb處一個(gè)名為RPG （qKDR1 REGULATED PEPTIDE GENE）基因的表達(dá)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，RPG就是qKDR1調(diào)控的目標(biāo)基因，兩個(gè)轉(zhuǎn)錄因子ZmMYBST1和ZmMYBR43可以結(jié)合到qKDR1而抑制RPG的表達(dá)。
RPG在玉米基因組中尚未被注釋?zhuān)且粋€(gè)全新的基因。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)多種技術(shù)共同證明了RPG通過(guò)編碼一段31個(gè)氨基酸的小肽發(fā)揮功能，命名為microRPG1。敲除microRPG1可加快脫水速率，超表達(dá)則顯著降低脫水速率。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)microRPG1可能通過(guò)調(diào)控乙烯信號(hào)途徑中的關(guān)鍵基因ZmEIL1和ZmEIL3的表達(dá)而影響脫水。RPG在授粉后26天的籽粒中表達(dá)，在38天達(dá)到最高，此時(shí)玉米籽粒灌漿基本結(jié)束，調(diào)控乙烯的表達(dá)可以促進(jìn)籽粒的快速脫水，又不影響產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)量和脫水的平衡。這一發(fā)現(xiàn)也為下一步籽粒脫水的精準(zhǔn)調(diào)控提供了新思路。
microRPG1和任何已知的小肽并不同源，在其它物種中也未被鑒定到，是玉米及其近緣種特有的，其如何起源是一個(gè)值得探究的問(wèn)題。研究發(fā)現(xiàn)，該小肽僅在玉蜀黍?qū)俸湍Σ梁虒僦写嬖谕葱蛄校诤瘫究频钠渌蓡T中沒(méi)有。雖然相似的序列存在于摩擦禾屬中，但缺乏起始密碼子，不能翻譯，無(wú)法行使功能。在玉蜀黍?qū)僦校粋€(gè)核苷酸（ACG到ATG）的突變產(chǎn)生了新的起始密碼子，導(dǎo)致一段非編碼序列起始翻譯，從頭產(chǎn)生了一個(gè)新基因。系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)表明，該突變可能發(fā)生在65萬(wàn)年前玉蜀黍?qū)俸湍Σ梁虒俜只螅摪l(fā)現(xiàn)為新基因的起源提供了一個(gè)新的范例，也為從頭創(chuàng)造新基因提供了方向。
這一獨(dú)特的小肽在其它物種中是否起作用？研究團(tuán)隊(duì)體外合成該小肽并外源施加于擬南芥，發(fā)現(xiàn)可以顯著延遲角果的成熟，并顯著提高了擬南芥種子的水分含量。在擬南芥中超表達(dá)microRPG1，也能夠顯著延遲角果的成熟。擬南芥的根可以吸收小肽并可以被運(yùn)輸?shù)降厣喜糠帧＿@些結(jié)果暗示microRPG1小肽在其它物種中可能具有保守的功能，這為進(jìn)一步探索該小肽的應(yīng)用價(jià)值提供了富有想象的空間。
適合機(jī)械化收獲的玉米籽粒含水量要求在15%至25%之間，但我國(guó)大多數(shù)玉米品種在收獲時(shí)的含水量通常在30%至40%之間。多年多點(diǎn)的試驗(yàn)表明，敲除microRPG1可使收獲時(shí)的籽粒含水量下降2%至17%，平均下降7%，同時(shí)其他農(nóng)藝和產(chǎn)量性狀沒(méi)有明顯的變化。研究團(tuán)隊(duì)分析了數(shù)百份具有代表性的玉米種質(zhì)材料，發(fā)現(xiàn)幾乎所有的材料都存在RPG基因，意味著操縱RPG來(lái)改變籽粒脫水速率培育宜機(jī)收的品種具有巨大的應(yīng)用潛力。據(jù)悉，團(tuán)隊(duì)圍繞玉米籽粒脫水的精準(zhǔn)調(diào)控已經(jīng)布局多個(gè)專(zhuān)利，并授權(quán)未米生物公司開(kāi)展商業(yè)化應(yīng)用，目前已經(jīng)取得良好進(jìn)展。
作物遺傳改良全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、湖北洪山實(shí)驗(yàn)室、崖州灣國(guó)家實(shí)驗(yàn)室嚴(yán)建兵教授為該論文的通訊作者。博士研究生余延輝、劉塬方，青年教師李文強(qiáng)副教授為該論文的共同第一作者，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)劉衍軍教授、歐陽(yáng)亦聃教授、楊寧教授、肖英杰教授、賴(lài)志兵教授、殷平教授、卓琳老師，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)講座教授David Jackson，未米生物科技有限公司許潔婷博士，華中科技大學(xué)薛宇教授，崖州灣國(guó)家實(shí)驗(yàn)室主任科學(xué)家劉海軍研究員、賈安強(qiáng)博士，以及德國(guó)馬普分子植物生理研究所Alisdair R. Fernie教授等多個(gè)團(tuán)隊(duì)的師生參與了該項(xiàng)工作或提供了有價(jià)值的討論。該研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、湖北省科技廳重大項(xiàng)目及111計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.10.030
日期：2024-11-27
玉米是我國(guó)種植面積最大、總產(chǎn)量最高的作物，但長(zhǎng)期受限于缺乏快脫水的品種，玉米機(jī)械粒收水平較低，影響了生產(chǎn)效率和種植成本。迄今為止，控制籽粒脫水速率這一性狀的基因很少被克隆，其潛在機(jī)制尚不清楚，這是難以通過(guò)遺傳改良培育快脫水宜機(jī)收玉米品種的根本原因。
研究團(tuán)隊(duì)圍繞這一產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵問(wèn)題持續(xù)攻關(guān)，建立了籽粒脫水表型田間鑒定技術(shù)，利用該技術(shù)通過(guò)QTL定位，定位到四個(gè)影響籽粒脫水的QTL，本研究對(duì)其中一個(gè)主效QTL-qKDR1進(jìn)行了精細(xì)定位，并成功縮小至1417-bp，發(fā)現(xiàn)是一段不編碼任何蛋白也不轉(zhuǎn)錄的DNA序列，在目標(biāo)區(qū)域雙親之間存在一個(gè)約6.2Kb的轉(zhuǎn)座子序列。敲除雙親序列后，不管是否含有轉(zhuǎn)座子，都能導(dǎo)致籽粒脫水速率顯著降低。分析表明，qKDR1可能作為一個(gè)抑制子，抑制其上游約10Kb處一個(gè)名為RPG （qKDR1 REGULATED PEPTIDE GENE）基因的表達(dá)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，RPG就是qKDR1調(diào)控的目標(biāo)基因，兩個(gè)轉(zhuǎn)錄因子ZmMYBST1和ZmMYBR43可以結(jié)合到qKDR1而抑制RPG的表達(dá)。
RPG在玉米基因組中尚未被注釋?zhuān)且粋€(gè)全新的基因。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)多種技術(shù)共同證明了RPG通過(guò)編碼一段31個(gè)氨基酸的小肽發(fā)揮功能，命名為microRPG1。敲除microRPG1可加快脫水速率，超表達(dá)則顯著降低脫水速率。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)microRPG1可能通過(guò)調(diào)控乙烯信號(hào)途徑中的關(guān)鍵基因ZmEIL1和ZmEIL3的表達(dá)而影響脫水。RPG在授粉后26天的籽粒中表達(dá)，在38天達(dá)到最高，此時(shí)玉米籽粒灌漿基本結(jié)束，調(diào)控乙烯的表達(dá)可以促進(jìn)籽粒的快速脫水，又不影響產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)量和脫水的平衡。這一發(fā)現(xiàn)也為下一步籽粒脫水的精準(zhǔn)調(diào)控提供了新思路。
microRPG1和任何已知的小肽并不同源，在其它物種中也未被鑒定到，是玉米及其近緣種特有的，其如何起源是一個(gè)值得探究的問(wèn)題。研究發(fā)現(xiàn)，該小肽僅在玉蜀黍?qū)俸湍Σ梁虒僦写嬖谕葱蛄校诤瘫究频钠渌蓡T中沒(méi)有。雖然相似的序列存在于摩擦禾屬中，但缺乏起始密碼子，不能翻譯，無(wú)法行使功能。在玉蜀黍?qū)僦校粋€(gè)核苷酸（ACG到ATG）的突變產(chǎn)生了新的起始密碼子，導(dǎo)致一段非編碼序列起始翻譯，從頭產(chǎn)生了一個(gè)新基因。系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)表明，該突變可能發(fā)生在65萬(wàn)年前玉蜀黍?qū)俸湍Σ梁虒俜只螅摪l(fā)現(xiàn)為新基因的起源提供了一個(gè)新的范例，也為從頭創(chuàng)造新基因提供了方向。
這一獨(dú)特的小肽在其它物種中是否起作用？研究團(tuán)隊(duì)體外合成該小肽并外源施加于擬南芥，發(fā)現(xiàn)可以顯著延遲角果的成熟，并顯著提高了擬南芥種子的水分含量。在擬南芥中超表達(dá)microRPG1，也能夠顯著延遲角果的成熟。擬南芥的根可以吸收小肽并可以被運(yùn)輸?shù)降厣喜糠帧＿@些結(jié)果暗示microRPG1小肽在其它物種中可能具有保守的功能，這為進(jìn)一步探索該小肽的應(yīng)用價(jià)值提供了富有想象的空間。
適合機(jī)械化收獲的玉米籽粒含水量要求在15%至25%之間，但我國(guó)大多數(shù)玉米品種在收獲時(shí)的含水量通常在30%至40%之間。多年多點(diǎn)的試驗(yàn)表明，敲除microRPG1可使收獲時(shí)的籽粒含水量下降2%至17%，平均下降7%，同時(shí)其他農(nóng)藝和產(chǎn)量性狀沒(méi)有明顯的變化。研究團(tuán)隊(duì)分析了數(shù)百份具有代表性的玉米種質(zhì)材料，發(fā)現(xiàn)幾乎所有的材料都存在RPG基因，意味著操縱RPG來(lái)改變籽粒脫水速率培育宜機(jī)收的品種具有巨大的應(yīng)用潛力。據(jù)悉，團(tuán)隊(duì)圍繞玉米籽粒脫水的精準(zhǔn)調(diào)控已經(jīng)布局多個(gè)專(zhuān)利，并授權(quán)未米生物公司開(kāi)展商業(yè)化應(yīng)用，目前已經(jīng)取得良好進(jìn)展。
作物遺傳改良全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、湖北洪山實(shí)驗(yàn)室、崖州灣國(guó)家實(shí)驗(yàn)室嚴(yán)建兵教授為該論文的通訊作者。博士研究生余延輝、劉塬方，青年教師李文強(qiáng)副教授為該論文的共同第一作者，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)劉衍軍教授、歐陽(yáng)亦聃教授、楊寧教授、肖英杰教授、賴(lài)志兵教授、殷平教授、卓琳老師，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)講座教授David Jackson，未米生物科技有限公司許潔婷博士，華中科技大學(xué)薛宇教授，崖州灣國(guó)家實(shí)驗(yàn)室主任科學(xué)家劉海軍研究員、賈安強(qiáng)博士，以及德國(guó)馬普分子植物生理研究所Alisdair R. Fernie教授等多個(gè)團(tuán)隊(duì)的師生參與了該項(xiàng)工作或提供了有價(jià)值的討論。該研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、湖北省科技廳重大項(xiàng)目及111計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.10.030
日期：2024-11-27
