中科院分子植物卓越中心等揭示類胡蘿卜素調(diào)控玉米硬質(zhì)胚乳形成機(jī)制

近期，中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心研究員巫永睿研究組題在Nature Communications上，在線發(fā)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(zhì)胚乳形成的主效QTL——Ven1(Vitreous endosperm 1)，發(fā)現(xiàn)該基因的等位變異能夠調(diào)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(zhì)胚乳形成。

研究人員利用普通硬質(zhì)玉米自交系W64A和粉質(zhì)玉米自交系A(chǔ)619，通過連續(xù)8代回交，構(gòu)建A619背景下的硬質(zhì)和粉質(zhì)近等基因系NILW64A和NILA619。通過BSA測序、精細(xì)定位和RNAi遺傳驗(yàn)證，克隆到影響硬質(zhì)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(xì)胞中高表達(dá)，蛋白定位于淀粉體膜內(nèi)側(cè)。Ven1在粉質(zhì)近等基因系NILA619中存在片段缺失且表達(dá)量低，導(dǎo)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(xué)性質(zhì)。NILA619的淀粉體膜(內(nèi)含淀粉粒)穩(wěn)定性增強(qiáng)且不規(guī)則擴(kuò)張，在胚乳細(xì)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(zhì)網(wǎng)格(matrix grid)的形成，籽粒成熟時(shí)則形成粉質(zhì)胚乳。相反，硬質(zhì)近等基因系NILW64A中Ven1高表達(dá)，非極性類胡蘿卜素含量降低，淀粉體膜形態(tài)規(guī)則且易降解，有利于蛋白體及細(xì)胞質(zhì)在淀粉粒表面的濃縮，形成致密的蛋白基質(zhì)網(wǎng)格包圍結(jié)構(gòu)。為證明非極性胡蘿卜素過量累積是導(dǎo)致A619粉質(zhì)表型的原因，研究人員對A619進(jìn)行大規(guī)模EMS誘變，獲得多個(gè)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(zhì)胚乳變成硬質(zhì)胚乳，命名為Ven1的抑制子(suppressors of Ven1A619，Ves)。通過GWAS分析，發(fā)現(xiàn)自然群體中還存在多個(gè)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(zhì)胚乳。

(中國生物技術(shù)網(wǎng))