7月16日, 我校生命科學學院、亞熱帶農(nóng)業(yè)生物資源保護與利用國家重點實驗室、嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學與技術(shù)廣東省實驗室王海洋課題組在《New Phytologist》 (IF2023 = 8.3)上發(fā)表了題為“ZmSPL10, ZmSPL14 and ZmSPL26 act together to promote stigmatic papilla formation in maize through regulating auxin signaling and ZmWOX3A expression”的研究論文，該研究揭示了三個同源基因ZmSPL10、ZmSPL14和ZmSPL26在促進玉米柱頭乳突形成，進而影響玉米結(jié)實率的分子機制。(論文在線網(wǎng)址http://doi.org/10.1111/nph.19961)。
玉米 (Zea mays L.) 是一種重要糧飼作物，廣泛用于食品、飼料和生物燃料，占全球谷物總產(chǎn)量的36%。玉米正常生長發(fā)育和授粉結(jié)實過程，是實現(xiàn)其高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)的重要保障。玉米產(chǎn)量的關(guān)鍵決定因素是穗粒數(shù)，而穗粒數(shù)與授粉效率密切相關(guān)。授粉是開花植物有性生殖過程的關(guān)鍵步驟，玉米雄性生殖（花藥）和雌性生殖（雌蕊）結(jié)構(gòu)的形態(tài)建成是受精的先決條件。玉米花絲是一種特殊類型的柱頭，上面覆蓋著許多用于捕獲花粉粒的乳突。據(jù)報道，乳突表面積、乳突密度、乳突長度和乳突數(shù)量的變化都會影響玉米的授粉和結(jié)實。然而，柱頭乳突的發(fā)育過程和潛在的分子調(diào)控機制仍然未知。
研究人員先前報道了三個同源的SPL家族轉(zhuǎn)錄因子，ZmSPL10、ZmSPL14和ZmSPL26促進玉米葉片表皮毛并抑制異位氣孔形成的命運決定機制。它們的三重基因敲除突變體表現(xiàn)出葉片表面完全光滑無毛的表型，而且在本應(yīng)著生刺毛和雙細胞毛的位置上發(fā)育出異位氣孔（Kong et al.，2021）。本研究進一步研究發(fā)現(xiàn)，ZmSPL10、ZmSPL14和ZmSPL26也是調(diào)控玉米柱頭乳突形成的關(guān)鍵基因，其三重敲除突變體幾乎完全缺乏柱頭乳突，導致玉米果穗結(jié)實率嚴重減少（圖1a）。系統(tǒng)的細胞學觀察發(fā)現(xiàn)，柱頭乳突是由柱頭前體細胞不對稱分裂產(chǎn)生的較小細胞發(fā)育形成（圖1b）。原位雜交結(jié)果表明，ZmSPL10、ZmSPL14及其靶基因SPI1、ZmPIN1b、ZmARF28和ZmWOX3A在柱頭乳突前體細胞中優(yōu)先表達。分子生物學實驗進一步揭示，ZmSPL10、ZmSPL14和ZmSPL26直接結(jié)合SPI1、ZmPIN1b、ZmARF28和ZmWOX3A的啟動子并促進其表達，共同促進了柱頭乳突的發(fā)育（圖1c）。遺傳水平上，Zmwox3a敲除突變體在柱頭乳突形成和結(jié)實能力方面表現(xiàn)出嚴重的缺陷。此外，研究人員將水稻中ZmSPL10、ZmSPL14和ZmSPL26的同源基因OsSPL5和OsSPL10敲除后，Osspl5 Osspl10缺失突變體同樣表現(xiàn)出柱頭乳突發(fā)育異常且結(jié)實率顯著降低，表明SPL基因在調(diào)控柱頭乳突發(fā)育方面的保守性。研究結(jié)果為解析玉米柱頭乳突發(fā)育的調(diào)控機制和谷類作物授粉效率的遺傳改良提供重要的理論指導和基因資源。
圖1 ZmSPL10/14/26與生長素相關(guān)基因和ZmWOX3A組成分子調(diào)控模塊，促進玉米花絲乳突發(fā)育，進而影響玉米結(jié)實率的工作模型
我校生命科學學院孔德鑫副研究員為該論文第一作者，已畢業(yè)博士生研究生景藝峰和碩士研究生段亞平為共同第一作者，王海洋教授為通訊作者，柳青副教授為共同通訊作者。華南農(nóng)業(yè)大學生命科學學院吳鴻教授和中國科學院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院李合英副研究員為本研究細胞學觀察提供了平臺并參與了部分工作。本文得到了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。
