分子植物:研究和分析了玉米灌浆期胚乳细胞膨胀的分子机制

来源：分子植物科学卓越创新中心2021-12-01 08:08

分子植物在线发表题为《调控网络的O2-zmgras 11转录协调细胞扩增和籽粒灌浆I》的文章，作者为中国科学院分子植物科学卓越创新中心研究员吴永瑞。

中国科学院分子植物科学卓越创新中心研究员吴永瑞在线发表题为《调控网络的O2-zmgras 11转录协调玉米胚乳细胞扩增和籽粒灌浆》的研究论文。本研究首次揭示了玉米灌浆期胚乳细胞膨胀的分子机制，建立了以O2-ZmGRAS11为中心的转录调控网络模型，将胚乳填充和细胞膨胀这两个独立的生物学过程耦合起来，为培育高产玉米奠定了理论基础。

胚乳填充是生物合成和贮藏的过程。通过这一过程，植物将叶片的光合产物转移到玉米籽粒中合成淀粉和贮藏蛋白，分别形成淀粉粒和蛋白体，从而逐渐充满胚乳细胞。胚乳的体积由胚乳细胞的数量和大小决定，直接影响籽粒的重量和品质。

通过对玉米胚乳发育过程中细胞膨胀的动态分析，本研究发现了两种不同的胚乳细胞膨胀模式：一种是授粉后0-10天，当胚乳处于早期时，活性GA含量高，随着细胞有丝分裂的迅速，胚乳厚度逐渐增加；另一种是授粉10天后，胚乳细胞发育处于灌浆期，细胞有丝分裂集中在糊粉层和亚糊粉层，此时活性GA含量较低。以上两种细胞扩增模式可能涉及不同的调控机制。

本研究通过共表达网络分析，筛选出一个在胚乳中特异表达的GRAS转录因子家族成员ZmGRAS11，该成员可能参与调控胚乳细胞在灌浆期的扩增。吴永瑞课题组通过CRISPR-Cas9技术获得了多个zmgras11突变体，发现纯合突变体在籽粒灌浆方面没有明显缺陷，但细胞学分析表明，突变体胚乳细胞的扩增过程被延迟，导致籽粒大小和重量减少。RNA-seq显示ZmGRAS11显著影响胚乳中的细胞壁合成和免疫应答相关途径。通过对下游基因的筛选和验证，研究人员发现ZmGRAS11可以激活细胞壁延伸蛋白基因ZmEXPB12的表达。Zmexpb12表现出较小颗粒和较小细胞膨胀的表型。相反，ZmEXPB12的过度表达使晶粒明显变大。通过对ZM格拉斯11启动子的分析发现，该启动子含有一个GCN4元件，可被灌浆控制核心转录因子O2激活，O2对ZM格拉斯11具有较强的转录激活作用。

通过以O2-zmgras 11为中心的转录网络，证明了胚乳细胞在灌浆期的膨胀与胚乳灌浆过程耦合，其中关键转录因子O2直接识别并激活zmgras 11的表达。本研究首次揭示了玉米灌浆期胚乳细胞膨胀的分子机制，为培育高产优质玉米提供了理论依据。(100yiyao.com)

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