巫永睿研究组揭示类胡萝卜素调控玉米硬质胚乳形成新机制

来源：中科院分子植物卓越中心

2020年10月22日，国际知名学术期刊Nature Communications在线发表了巫永睿研究组题为 “Carotenoids modulate kernel texture in maize by influencing amyloplast envelope integrity” 的研究论文。该研究首次从自然群体中克隆到控制玉米硬/粉质胚乳形成的主效QTL，Ven1（Vitreous endosperm 1），发现该基因的等位变异能够调控玉米胚乳中类胡萝卜素极性和非极性组分的含量。非极性胡萝卜素的增加延迟了淀粉体膜的降解，进而阻碍了蛋白体和淀粉粒的互作，从而影响硬质胚乳形成。

科研进展

玉米籽粒硬/粉质胚乳是一对重要农艺性状，影响玉米的收获、储藏、运输和食品加工。硬质胚乳形成取决于蛋白体（储存醇溶蛋白）和淀粉体之间的紧密互作。在玉米胚乳发育过程中，胚乳外周区域蛋白体密集，淀粉粒小，而中央区域蛋白体稀疏，淀粉粒大。当籽粒成熟脱水时，胚乳外周区域的蛋白体和细胞中其它内含物（细胞质、细胞器和细胞骨架等）交织在一起形成蛋白基质（proteinaceous matrix），紧紧包裹住淀粉粒，形成致密的硬质胚乳；而胚乳中央区域由于缺乏蛋白体，淀粉粒完全裸露，形成疏松的粉质胚乳。玉米胚乳硬粉质表型在自然群体中存在丰富的变异，从几乎完全硬质到完全粉质的材料都存在，然而控制其形成的QTLs及分子机制却知之甚少。类胡萝卜素主要富集于硬质胚乳中，其组分和含量决定了大多数玉米品种的颜色（从白色到橙红色变异；紫玉米是由于糊粉层累积的花青素引起的）。虽然类胡萝卜素的含量在自然群体中的变异也非常丰富，但可用于维生素A生物强化的优良等位变异却非常稀少。籽粒颜色和硬粉质程度在育种过程中都明显受到人工选择，但二者有何内在联系却还不清楚。

巫永睿研究组利用普通硬质玉米自交系W64A和粉质玉米自交系A619，通过连续8代回交构建了A619背景下的硬质和粉质近等基因系NILW64A和NILA619。通过BSA测序、精细定位和RNAi遗传验证，克隆到了影响硬质胚乳形成的主效QTL，Ven1。该基因编码β-胡萝卜素羟化酶3（β-carotene hydroxylase 3，HYD3），在胚乳淀粉细胞中高表达，蛋白定位于淀粉体膜内侧。Ven1在粉质近等基因系NILA619中存在片段缺失且表达量低，导致β-胡萝卜素不能被羟化为下游的极性胡萝卜素，使其及上游的其它非极性胡萝卜素含量升高，从而改变了淀粉体膜的物理化学性质。NILA619的淀粉体膜（内含淀粉粒）稳定性增强且不规则扩张，在胚乳细胞脱水过程中降解延迟，阻碍了蛋白体和淀粉粒之间的相互作用以及蛋白基质网格（matrix grid）的形成，籽粒成熟时就形成了粉质胚乳。相反，硬质近等基因系NILW64A中Ven1高表达，非极性类胡萝卜素含量降低，淀粉体膜形态规则且容易降解，有利于蛋白体及细胞质在淀粉粒表面的浓缩，形成致密的蛋白基质网格包围结构，这是硬质胚乳形成的重要基础。为证明非极性胡萝卜素过量累积是导致A619粉质表型的原因，该研究对A619进行大规模EMS诱变，获得了多个类胡萝卜素上游合成途径受到抑制的突变体材料。它们的共同特征都是从粉质胚乳变为了硬质胚乳，因此命名为Ven1的抑制子（suppressors of Ven1A619，Ves）。通过GWAS分析，他们发现自然群体中还存在多个Ven1的修饰因子，即在不改变胡萝卜素成分的条件下形成硬质胚乳。该项研究揭示了类胡萝卜素通过影响淀粉体膜的稳定性进而影响硬质胚乳形成的新的分子遗传机制，为培育高胡萝卜素硬质玉米品种奠定了理论基础。

类胡萝卜素调控玉米硬质胚乳形成模型

分子植物卓越中心副研究员王海海和博士后黄永财为文章的共同第一作者，巫永睿研究员为通讯作者。博士生肖俏和黄兴，博士后李长生和向小利，助理研究员王琼，硕士生朱一栋，副研究员王婕琛，公共技术服务中心高小彦老师，上海交通大学王文琴副教授和美国亚利桑那大学Brian A. Larkins院士参与了该项工作。该研究工作得到了科技部、国家自然科学基金和中国科学院先导等项目的资助。

巫永睿研究员及其团队