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近日，華南農業大學生命科學學院、嶺南現代農業科學與技術廣東省實驗室王海洋課題組與中國農業科學院生物技術研究所合作，解析了玉米響應模擬密植條件下雄穗和果穗發育提前的轉錄調控變化，鑒定到一個以UB2/UB3/TSH4為核心的轉錄調控網絡調控玉米花序發育響應密植遮蔭信號。相關研究發表于The Plant Cell。
玉米是世界上最重要的作物之一，廣泛用于食品、飼料和生物能源。為了滿足全球日益增長的玉米生產需求，育種家一直在不斷選擇可以在更高密度下種植的玉米品種，以提高玉米單位土地面積產量。然而，在高種植密度條件下，鄰近植物會消耗光合活性輻射，導致紅光與遠紅光（R:FR）比值降低，引發植物產生避蔭綜合癥（SAS），表現為植株高度增加、倒伏風險加劇、開花提早、雄穗開花和雌穗吐絲間隔期延長，雄穗大小和每穗粒數減少，最終導致嚴重減產。
玉米是典型的雌雄同株異花植物，雄花序（雄穗）生長在植株的頂部，而雌花序（雌穗）發育為葉腋的側枝，位于雄穗以下的幾個節上。雄穗和雌穗是玉米的生殖器官，不僅是玉米產量的重要決定因素，也是研究植物器官發生的模型系統。然而，目前玉米中SAS的分子調控機制仍不清楚。
為了探索高密度種植對玉米花序發育的影響，研究人員在白天結束后進行遠紅光（EOD-FR）和白天正常光照中補充遠紅光（WL+FR）處理來模擬避蔭條件，并對玉米雄穗（V3-V9）和雌穗（V8-V12）的連續發育階段進行了系統研究。他們利用體視顯微鏡系統觀察揭示，模擬遮蔭處理有效地加速了莖尖頂端分生組織向花序分生組織轉變，導致了雄穗和雌穗中各類型分生組織的提早發育。
為了解析模擬遮蔭處理對玉米雄花序發育影響的分子基礎，研究人員對在正常白光條件下生長和EOD-FR處理下（V3至V9）的玉米幼苗的莖尖和未成熟雄穗進行了RNA-seq比較分析。使用Illumina測序平臺總共生成了19.2億個高質量reads，然后使用Hisat2將其映射到B73參考基因組（RefGen_V4）。在26個數據集中，共發現21367個基因表達。通過WGCNA（加權基因共表達網絡）分析揭示，三個同源的Squamosa promoter binding protein （SBP）-like（SPL）轉錄因子UB2、UB3和TSH4是一個調控雄穗發育的關鍵調控中心，分別與3233、3233和2473個基因在功能上相關，包括許多屬于MADS、TCP、bHLH、WRKY、EREB和ARF基因家族的基因。
研究人員將UB2和UB3的DNA親和純化測序數據與RNA-seq數據進行重疊分析，鑒定出一批受UB2和UB3直接調控的候選靶基因。進一步，通過RT-qPCR、原位雜交、酵母單雜交、原生質體雙熒光素酶活性、凝膠電泳遷移率轉移試驗證明了UB2/UB3/TSH4可以直接結合到BIF2和ZmTCP30基因的啟動子上，直接激活它們的表達進而調控玉米雄穗和雌穗花期官形成和發育。
該研究不僅揭示了一個以UB2、UB3和TSH4為核心的玉米花序發育響應避蔭的轉錄調控網絡，還鑒定到一批響應密植栽培條件的關鍵轉錄因子和植物激素信號響應因子，為耐密玉米品種培育提供理論基礎和基因資源。
上述研究得到國家重點研究計劃項目、國家自然科學重點基金、廣東省自然科學基金等項目的支持。