近日，我校生命科學學院、亞熱帶農業(yè)生物資源保護與利用國家重點實驗室、嶺南現(xiàn)代農業(yè)科學與技術廣東省實驗室王海洋課題組在New Phytologist （IF2022 = 10.323）上發(fā)表了題為“ZmSPL13 and ZmSPL29 act together to promote vegetative and reproductive transition in maize”的研究論文，解析了玉米ZmSPL13/29參與年齡途徑調控玉米開花期的分子機制（論文在線網址https://doi.org/10.1111/nph.19005）。
玉米（Zea mays）是全球種植范圍最廣且產量最高的農作物，其產量的充足供應是保證全球糧食安全的關鍵。開花期是玉米適應不同生態(tài)環(huán)境種植的關鍵決定因素，開花期的長短直接決定了玉米的生態(tài)分布，而營養(yǎng)生長時相轉變和成花轉變決定了玉米的開花期。年齡途徑（miR156-SPL-miR172-AP2）是植物不依賴光周期的開花調控通路。玉米miR172-Gl15分子模塊在調控玉米幼齡期向成年期的轉變（營養(yǎng)生長時相轉變）中發(fā)揮重要作用，但該模塊上下游的調控元件尚不明確。玉米基因組中共有30個ZmSPLs基因，可能受miR156靶向的有18個，哪些ZmSPLs參與年齡途徑并調控玉米開花期仍不清楚。因此，挖掘控制玉米營養(yǎng)生長時相轉變和成花轉變的關鍵ZmSPLs基因并解析其調節(jié)機制，可為培育、篩選和改良廣適的玉米新品種提供理論基礎。本研究首次揭示了兩個SPL基因家族成員ZmSPL13/29（miR156潛在的靶基因）是玉米營養(yǎng)生長時相轉變和成花轉變的正調節(jié)因子。ZmSPL13/29主要在葉片維管組織的韌皮部、花序的營養(yǎng)分生組織和生殖分生組織中特異性表達，且ZmSPL29具有更強的表達模式。利用CRISPR/Cas9基因編輯技術，創(chuàng)制了ZmSPL13/29的敲除株系；同時也創(chuàng)制了ZmSPL29過量表達（ZmSPL29-OE）植株。田間表型調查發(fā)現(xiàn)，與分離的野生型（WT）相比，Zmspl13單突變體和Zmspl29單突變體植株在短日照（SD）條件下表現(xiàn)適度晚花，但在長日照（LD）條件下并無明顯開花期差異；而Zmspl13/29雙突變體不論在LD條件，還是SD條件下都表現(xiàn)為晚花；相反，ZmSPL29-OE植株在LD和SD條件下均表現(xiàn)為早花；以上結果表明：ZmSPL13/29能促進玉米開花。此外，該研究發(fā)現(xiàn)ZmSPL29-OE早花株系可應用于玉米骨干自交系的開花期。
圖1：ZmSPL13/29正調節(jié)玉米營養(yǎng)生長時相轉變和成花轉變。
進一步研究發(fā)現(xiàn)，在葉片中，ZmSPL13/29不僅能轉錄激活miR172基因家族成員ZmMIR172C的表達，進而抑制其靶基因Gloosy15（Gl15）的表達，該基因是玉米營養(yǎng)生長時相轉變抑制因子，從而促進玉米提早進行營養(yǎng)生長時相轉變；還能直接激活成花素基因ZCN8的表達，誘導玉米開花；在莖尖分生組織中，ZmSPL13/29能特異性結合在花器官發(fā)育基因ZMM3/4的啟動子上，促進二者的表達，誘導玉米成花轉變。該研究發(fā)現(xiàn)ZmSPL13/29可作為miR156-SPL和miR172-Gl15調控模塊的橋梁，為理解玉米開花調控機制提供了新思路，也為培育、篩選和改良適合不同生態(tài)區(qū)種植的玉米新品種提供優(yōu)異的基因和種質資源。
圖2：ZmSPL13/29調控玉米營養(yǎng)生長時相轉變和成花轉變的作用模型。
該研究以華南農業(yè)大學生命科學學院為第一完成單位，華南農業(yè)大學生命科學學院博士研究生楊娟及魏洪彬副教授為論文共同第一作者，華南農業(yè)大學孔德鑫副研究員和王海洋教授為論文共同通訊作者。該研究得到廣東省重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、廣東省自然科學基金、嶺南現(xiàn)代農業(yè)項目實驗室和海南崖州灣種子實驗室基金的資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1111/nph.19005
圖/文 生命科學學院
