中國(guó)科學(xué)院分子植物卓越中心等揭示類胡蘿卜素調(diào)控玉米硬質(zhì)胚乳形成機(jī)制

　　近期，中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心研究員巫永睿研究組題在Nature Communications上，在線發(fā)表題為Carotenoids modulate kernel texture in maize by infuencing amyloplast envelope integrity的研究論文。該研究首次從自然群體中克隆到控制玉米硬/粉質(zhì)胚乳形成的主效QTL——Ven1（Vitreous endosperm 1），發(fā)現(xiàn)該基因的等位變異能夠調(diào)控玉米胚乳中類胡蘿卜素極性和非極性組分的含量。非極性胡蘿卜素的增加延遲淀粉體膜的降解，阻礙蛋白體和淀粉粒的互作，從而影響硬質(zhì)胚乳形成。

 

　　玉米籽粒硬/粉質(zhì)胚乳是一對(duì)重要的農(nóng)藝性狀，影響玉米的收獲、儲(chǔ)藏、運(yùn)輸和食品加工。硬質(zhì)胚乳形成取決于蛋白體（儲(chǔ)存醇溶蛋白）和淀粉體間的緊密互作。在玉米胚乳發(fā)育過(guò)程中，胚乳外周區(qū)域蛋白體密集，淀粉粒?。恢醒?yún)^(qū)域蛋白體稀疏，淀粉粒大。當(dāng)籽粒成熟脫水時(shí)，胚乳外周區(qū)域的蛋白體和細(xì)胞中其它內(nèi)含物（細(xì)胞質(zhì)、細(xì)胞器和細(xì)胞骨架等）交織在一起形成蛋白基質(zhì)（proteinaceous matrix），緊緊包裹住淀粉粒，形成致密的硬質(zhì)胚乳；胚乳中央?yún)^(qū)域由于缺乏蛋白體，淀粉粒完全裸露，形成疏松的粉質(zhì)胚乳。玉米胚乳硬粉質(zhì)表型在自然群體中存在豐富的變異，從幾乎完全硬質(zhì)到完全粉質(zhì)的材料均存在，然而，學(xué)界缺乏對(duì)控制其形成的QTLs及分子機(jī)制的了解。類胡蘿卜素主要富集于硬質(zhì)胚乳中，其組分和含量決定大多數(shù)玉米品種的顏色（從白色到橙紅色變異；紫玉米由糊粉層累積的花青素引起）。雖然類胡蘿卜素的含量在自然群體中的變異較豐富，但是可用于維生素A生物強(qiáng)化的優(yōu)良等位變異較少。籽粒顏色和硬粉質(zhì)程度在育種過(guò)程中明顯受到人工選擇，但是學(xué)界尚不清楚二者之間的內(nèi)在聯(lián)系。

 

　　研究人員利用普通硬質(zhì)玉米自交系W64A和粉質(zhì)玉米自交系A(chǔ)619，通過(guò)連續(xù)8代回交，構(gòu)建A619背景下的硬質(zhì)和粉質(zhì)近等基因系NILW64A和NILA619。通過(guò)BSA測(cè)序、精細(xì)定位和RNAi遺傳驗(yàn)證，克隆到影響硬質(zhì)胚乳形成的主效QTL——Ven1。該基因編碼β-胡蘿卜素羥化酶3（β-carotene hydroxylase 3，HYD3）在胚乳淀粉細(xì)胞中高表達(dá)，蛋白定位于淀粉體膜內(nèi)側(cè)。Ven1在粉質(zhì)近等基因系NILA619中存在片段缺失且表達(dá)量低，導(dǎo)致β-胡蘿卜素不能被羥化為下游的極性胡蘿卜素，使其及上游的其它非極性胡蘿卜素含量升高，從而改變淀粉體膜的物理化學(xué)性質(zhì)。NILA619的淀粉體膜（內(nèi)含淀粉粒）穩(wěn)定性增強(qiáng)且不規(guī)則擴(kuò)張，在胚乳細(xì)胞脫水過(guò)程中降解延遲，阻礙蛋白體和淀粉粒間的相互作用及蛋白基質(zhì)網(wǎng)格（matrix grid）的形成，籽粒成熟時(shí)則形成粉質(zhì)胚乳。相反，硬質(zhì)近等基因系NILW64A中Ven1高表達(dá)，非極性類胡蘿卜素含量降低，淀粉體膜形態(tài)規(guī)則且易降解，有利于蛋白體及細(xì)胞質(zhì)在淀粉粒表面的濃縮，形成致密的蛋白基質(zhì)網(wǎng)格包圍結(jié)構(gòu)，這是硬質(zhì)胚乳形成的重要基礎(chǔ)。為證明非極性胡蘿卜素過(guò)量累積是導(dǎo)致A619粉質(zhì)表型的原因，研究人員對(duì)A619進(jìn)行大規(guī)模EMS誘變，獲得多個(gè)類胡蘿卜素上游合成途徑受到抑制的突變體材料，其共同特征是從粉質(zhì)胚乳變成硬質(zhì)胚乳，因此，命名為Ven1的抑制子（suppressors of Ven1A619，Ves）。通過(guò)GWAS分析，發(fā)現(xiàn)自然群體中還存在多個(gè)Ven1的修飾因子，即在不改變胡蘿卜素成分的條件下，形成硬質(zhì)胚乳。該研究揭示類胡蘿卜素通過(guò)影響淀粉體膜的穩(wěn)定性進(jìn)而影響硬質(zhì)胚乳形成的新的分子遺傳機(jī)制，有利于培育高胡蘿卜素硬質(zhì)玉米品種。

 

　　分子植物卓越中心副研究員王海海和博士后黃永財(cái)為論文的共同第一作者，巫永睿為論文通訊作者。分子植物卓越中心博士生肖俏和黃興、博士后李長(zhǎng)生和向小利、助理研究員王瓊、碩士生朱一棟、副研究員王婕琛、公共技術(shù)服務(wù)中心教師高小彥，上海交通大學(xué)副教授王文琴和美國(guó)亞利桑那大學(xué)院士Brian A. Larkins參與該研究。研究工作得到科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金和中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)等的支持。

 

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　　類胡蘿卜素調(diào)控玉米硬質(zhì)胚乳形成模型