分子植物卓越中心等揭示類胡蘿卜素調(diào)控玉米硬質(zhì)胚乳形成機制

近期，中國科學(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 Communica?tions 上，在線發(fā)表題為Carotenoids modulate ker?nel texture in maize by infuencing amyloplast enve?lope 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)胚乳是一對重要的農(nóng)藝性狀，影響玉米的收獲、儲藏、運輸和食品加工。硬質(zhì)胚乳形成取決于蛋白體（儲存醇溶蛋白）和淀粉體間的緊密互作。在玉米胚乳發(fā)育過程中，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，胚乳外周區(qū)域的蛋白體和細胞中其它內(nèi)含物（細胞質(zhì)、細胞器和細胞骨架等）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)界缺乏對控制其形成的QTLs 及分子機制的了解。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BSA測序、精細定位和RNAi遺傳驗證，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）在胚乳淀粉細胞中高表達，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)定性增強且不規(guī)則擴張，在胚乳細胞脫水過程中降解延遲，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，籽粒成熟時則形成粉質(zhì)胚乳。相反，硬質(zhì)近等基因系NILW64A 中Ven1高表達，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量累積是導(dǎo)致A619 粉質(zhì)表型的原因，研究人員對A619進行大規(guī)模EMS誘變，獲得多個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GWAS 分析，發(fā)現(xiàn)自然群體中還存在多個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影響淀粉體膜的穩(wěn)定性進而影響硬質(zhì)胚乳形成的新的分子遺傳機制，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、國家自然科學(xué)基金和中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項等的支持。