近日，華中農業大學作物遺傳改良國家重點實驗室、湖北洪山實驗室玉米團隊教授楊芳課題組與美國冷泉港實驗室教授David Jackson、山東大學教授徐芳合作在《自然—植物》在線發表了最新研究成果。該研究發現，玉米中三個同源“CC-type”谷氧還蛋白(Glutaredoxins, GRX)通過調節bZIP轉錄因子FEASCIATED EAR4 (FEA4)的氧化還原穩態而影響其轉錄活性，進而調控幼穗花序分生組織的發育。這項研究揭示了玉米穗發育與形態建成中分子調控的新機制，也為ROS信號如何影響分生組織發育提供了新的見解。
玉米是重要的糧食作物，其產量受穗發育及形態建成的影響，研究調控此過程的關鍵基因及其作用機制具有重要的科學意義。植物分生組織發育過程中，維持細胞內氧化還原穩態對干細胞命運至關重要，此過程涉及一些關鍵基因功能的精細調控。谷氧還蛋白 (GRX) 可通過氧化還原和谷胱甘肽化修飾調控其靶蛋白的功能。然而，目前對GRX直接參與調控分生組織發育和活性的作用機理還知之甚少。
MSCA1及其同源基因正向調控分生組織發育和穗形態建成。華中農大供圖
該團隊近期研究了玉米谷氧還蛋白MSCA1及其兩個同源基因 (ZmGRX2、ZmGRX5) 調控穗發育的分子機制。三個同源基因存在較強的功能冗余，三突變體表現出花序分生組織活性顯著降低，小穗發育與分化受阻，進而導致玉米單穗籽粒數顯著下降。
研究表明，三個GRX蛋白的直接靶蛋白是一個負向調控花序分生組織發育的關鍵bZIP轉錄因子FEA4 。系列生化實驗表明，MSCA1可以作為電子供體直接還原FEA4，破壞其分子間二硫鍵，改變其單體/二聚體的平衡狀態。
更重要的是，三個GRX蛋白對FEA4的修飾直接影響了FEA4體內結合DNA的能力及其調控下游基因轉錄的能力。
該研究成果揭示了三個GRX蛋白直接參與調控玉米花序分生組織發育的重要過程，闡明了其在穗發育和形態建成中的調控機制，并以嶄新的視角探索了玉米穗發育過程中關鍵調控因子的氧化還原態變化對維持分生組織的活性的重要作用。研究成果既具有創新性，也為玉米穗型改良和高產分子育種提供了理論指導。
玉米三個GRX蛋白通過精細調控靶蛋白FEA4的氧化還原狀態促進穗發育與形態建成。華中農大供圖
該研究得到了國家自然科學基金、作物遺傳改良國家重點實驗室自主課題和華中農業大學自主科技創新基金等項目資助。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41477-021-01029-2
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