分子中心等揭示類胡蘿卜素調控玉米硬質胚乳形成機制

　　近期，中國科學院分子植物科學卓越創新中心研究員巫永睿研究組題在Nature Communications上，在線發表題為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/粉質胚乳形成的主效QTL——Ven1（Vitreous endosperm 1），發現該基因的等位變異能夠調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，從而影響硬質胚乳形成。

　　玉米籽粒硬/粉質胚乳是一對重要的農藝性狀，影響玉米的收獲、儲藏、運輸和食品加工。硬質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。在玉米胚乳發育過程中，胚乳外周區域蛋白體密集，淀粉粒小；中央區域蛋白體稀疏，淀粉粒大。當籽粒成熟脫水時，胚乳外周區域的蛋白體和細胞中其它內含物（細胞質、細胞器和細胞骨架等）交織在一起形成蛋白基質（proteinaceous matrix），緊緊包裹住淀粉粒，形成致密的硬質胚乳；胚乳中央區域由于缺乏蛋白體，淀粉粒完全裸露，形成疏松的粉質胚乳。玉米胚乳硬粉質表型在自然群體中存在豐富的變異，從幾乎完全硬質到完全粉質的材料均存在，然而，學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胚乳中，其組分和含量決定大多數玉米品種的顏色（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生物強化的優良等位變異較少。籽粒顏色和硬粉質程度在育種過程中明顯受到人工選擇，但是學界尚不清楚二者之間的內在聯系。

　　研究人員利用普通硬質玉米自交系W64A和粉質玉米自交系A619，通過連續8代回交，構建A619背景下的硬質和粉質近等基因系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側。Ven1在粉質近等基因系NILA619中存在片段缺失且表達量低，導致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性質。NILA619的淀粉體膜（內含淀粉粒）穩定性增強且不規則擴張，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網格（matrix grid）的形成，籽粒成熟時則形成粉質胚乳。相反，硬質近等基因系NILW64A中Ven1高表達，非極性類胡蘿卜素含量降低，淀粉體膜形態規則且易降解，有利于蛋白體及細胞質在淀粉粒表面的濃縮，形成致密的蛋白基質網格包圍結構，這是硬質胚乳形成的重要基礎。為證明非極性胡蘿卜素過量累積是導致A619粉質表型的原因，研究人員對A619進行大規模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胚乳變成硬質胚乳，因此，命名為Ven1的抑制子（suppressors of Ven1^A619，Ves）。通過GWAS分析，發現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，形成硬質胚乳。該研究揭示類胡蘿卜素通過影響淀粉體膜的穩定性進而影響硬質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、公共技術服務中心教師高小彥，上海交通大學副教授王文琴和美國亞利桑那大學院士Brian A. Larkins參與該研究。研究工作得到科技部、國家自然科學基金和中科院戰略性先導科技專項等的支持。

類胡蘿卜素調控玉米硬質胚乳形成模型