研讨提醒类胡萝卜素调控玉米硬质胚乳构成机制

近期，中国迷信院分子植物迷信杰出立异中间研讨员巫永睿研讨组题在Nature Communications上，在线揭橥题为Carotenoids modulate kernel texture in maize by infuencing amyloplast envelope integrity的研讨论文。该研讨初次从天然群体中克隆到掌握玉米硬/粉质胚乳构成的主效QTL——Ven1（Vitreous endosperm 1），发明该基因的等位变异可以调控玉米胚乳中类胡萝卜素极性和非极性组分的含量。非极性胡萝卜素的添加延迟淀粉体膜的降解，障碍卵白体和淀粉粒的互作，从而影响硬质胚乳构成。

玉米籽粒硬/粉质胚乳是一对主要的农艺性状，影响玉米的播种、蕴藏、运输和食物加工。硬质胚乳构成取决于卵白体（贮存醇溶卵白）和淀粉体间的慎密互作。在玉米胚乳发育进程中，胚乳外周区域卵白体密集，淀粉粒小；地方区域卵白体稀少，淀粉粒年夜。当籽粒成熟脱水时，胚乳外周区域的卵白体和细胞中其它内含物（细胞质、细胞器和细胞骨架等）交错在一路构成卵白基质（proteinaceous matrix），紧紧包裹住淀粉粒，构成致密的硬质胚乳；胚乳地方区域因为缺少卵白体，淀粉粒完整暴露，构成松散的粉质胚乳。玉米胚乳硬粉质表型在天然群体中存在丰厚的变异，从简直完整硬质到完整粉质的资料均存在，但是，学界缺少对掌握其构成的QTLs及分子机制的懂得。类胡萝卜素次要富集于硬质胚乳中，其组分和含量决议年夜多半玉米种类的色彩（从白色到橙白色变异；紫玉米由糊粉层累积的花青素惹起）。固然类胡萝卜素的含量在天然群体中的变异较丰厚，然则可用于维生素A生物强化的优秀等位变异较少。籽粒色彩和硬粉质水平在育种进程中分明遭到人工选择，然则学界尚不清晰二者之间的内涵接洽。

研讨人员应用通俗硬质玉米自交系W64A和粉质玉米自交系A619，经过持续8代回交，构建A619配景下的硬质和粉质近等基因系NILW64A和NILA619。经过BSA测序、精密定位和RNAi遗传验证，克隆到影响硬质胚乳构成的主效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，卵白定位于淀粉体膜内侧。Ven1在粉质近等基因系NILA619中存在片断缺掉且表达量低，招致β-胡萝卜素不克不及被羟化为下流的极性胡萝卜素，使其及下游的其它非极性胡萝卜素含量降低，从而改动淀粉体膜的物理化学性质。NILA619的淀粉体膜（内含淀粉粒）波动性加强且不规矩扩大，在胚乳细胞脱水进程中降解延迟，障碍卵白体和淀粉粒间的互相感化及卵白基质网格（matrix grid）的构成，籽粒成熟时则构成粉质胚乳。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下降，淀粉体膜形状规矩且易降解，有利于卵白体及细胞质在淀粉粒外表的稀释，构成致密的卵白基质网格包抄构造，这是硬质胚乳构成的主要根底。为证实非极性胡萝卜素过量累积是招致A619粉质表型的缘由，研讨人员对A619停止年夜范围EMS诱变，取得多个类胡萝卜素下游分解门路遭到克制的渐变体资料，其配合特点是从粉质胚乳酿成硬质胚乳，是以，定名为Ven1的克制子（suppressors of Ven1A619，Ves）。经过GWAS剖析，发明天然群体中还存在多个Ven1的润饰因子，即在不改动胡萝卜素成分的前提下，构成硬质胚乳。该研讨提醒类胡萝卜素经过影响淀粉体膜的波动性进而影响硬质胚乳构成的新的分子机制，有利于培养高胡萝卜素硬质玉米种类。

分子植物杰出中间副研讨员王海海和博士后黄永财为论文的配合第一作者，巫永睿为论文通信作者。分子植物杰出中间博士生肖俏和黄兴、博士后李长生和向小利、助理研讨员王琼、硕士生朱一栋、副研讨员王婕琛、公共技巧办事中间教员高小彦，上海交通年夜学副传授王文琴和美国亚利桑那年夜学院士Brian A. Larkins介入该研讨。研讨任务获得科技部、国度天然迷信基金和中科院计谋性先导科技专项等的支撑。(100yiyao.com）