11月27日，Molecular Plant在線發表了來自中國科學院分子植物科學卓越創新中心研究員巫永睿研究組題為The O2-ZmGRAS11 transcriptional regulatory network orchestrates the coordination of cell expansion and grain filling in maize endosperm的研究論文。該研究首次揭示了玉米籽粒灌漿期胚乳細胞擴張的分子機理，建立了以O2-ZmGRAS11為中心的轉錄調控網絡模型，偶聯了胚乳灌漿和細胞擴張兩個獨立的生物學過程，為培育高產玉米奠定了理論基礎。
胚乳灌漿是一個生物合成儲存的過程。通過該過程，植株將光合同化產物從葉片轉移到玉米籽粒中用以合成淀粉和儲藏蛋白，分別形成淀粉粒和蛋白體，從而逐漸填充胚乳細胞。胚乳體積由胚乳細胞數目和細胞大小決定，二者直接影響籽粒重量和品質。
該研究通過對玉米胚乳發育過程的細胞擴張動態分析，發現了兩種不同的胚乳細胞擴張模式：一種是在授粉后0-10天，此時胚乳處于早期，活性GA含量較高，伴隨著快速的細胞有絲分裂，胚乳厚度逐漸增加；另一種是在授粉10天后，胚乳細胞發育處于灌漿期，細胞有絲分裂集中在糊粉層和亞糊粉層，此時的活性GA含量較低。上述兩種細胞擴張模式可能涉及不同的調控機制。
該研究進一步通過共表達網絡分析，篩選到一個胚乳特異表達的GRAS轉錄因子家族成員ZmGRAS11，可能參與調控灌漿期胚乳細胞擴張。巫永睿研究組通過CRISPR-Cas9技術獲得多個zmgras11突變體，發現純合突變體籽粒灌漿沒有明顯缺陷，但對其進行細胞學分析后發現突變體胚乳細胞擴張過程延遲，從而導致籽粒大小和籽粒重量減小。RNA-seq表明ZmGRAS11在胚乳中顯著影響細胞壁合成以及免疫反應相關通路。通過下游基因的篩選與驗證，科研人員發現ZmGRAS11能夠激活細胞壁延展蛋白基因ZmEXPB12的表達。zmexpb12出現籽粒變小、細胞擴張變小的表型；相反，過表達ZmEXPB12則使籽粒明顯變大。通過對ZmGRAS11啟動子分析，研究發現啟動子上含有一個可以被灌漿調控核心轉錄因子O2激活的GCN4元件，并且O2對ZmGRAS11有較強的轉錄激活作用。
研究證明了灌漿期胚乳細胞的擴張是通過O2-ZmGRAS11為中心的轉錄網絡與胚乳灌漿過程相偶聯，其中關鍵的轉錄因子O2直接識別并激活ZmGRAS11表達。該研究首次揭示了玉米籽粒灌漿期胚乳細胞擴張的分子機理，為培育高產優質玉米提供了理論基礎。
研究工作得到中科院戰略性先導科技專項和國家自然科學基金項目的資助。
玉米胚乳增大過程
O2-ZmGRAS11偶聯胚乳灌漿和細胞擴張調控模型
日期：2021-12-01
胚乳灌漿是一個生物合成儲存的過程。通過該過程，植株將光合同化產物從葉片轉移到玉米籽粒中用以合成淀粉和儲藏蛋白，分別形成淀粉粒和蛋白體，從而逐漸填充胚乳細胞。胚乳體積由胚乳細胞數目和細胞大小決定，二者直接影響籽粒重量和品質。
該研究通過對玉米胚乳發育過程的細胞擴張動態分析，發現了兩種不同的胚乳細胞擴張模式：一種是在授粉后0-10天，此時胚乳處于早期，活性GA含量較高，伴隨著快速的細胞有絲分裂，胚乳厚度逐漸增加；另一種是在授粉10天后，胚乳細胞發育處于灌漿期，細胞有絲分裂集中在糊粉層和亞糊粉層，此時的活性GA含量較低。上述兩種細胞擴張模式可能涉及不同的調控機制。
該研究進一步通過共表達網絡分析，篩選到一個胚乳特異表達的GRAS轉錄因子家族成員ZmGRAS11，可能參與調控灌漿期胚乳細胞擴張。巫永睿研究組通過CRISPR-Cas9技術獲得多個zmgras11突變體，發現純合突變體籽粒灌漿沒有明顯缺陷，但對其進行細胞學分析后發現突變體胚乳細胞擴張過程延遲，從而導致籽粒大小和籽粒重量減小。RNA-seq表明ZmGRAS11在胚乳中顯著影響細胞壁合成以及免疫反應相關通路。通過下游基因的篩選與驗證，科研人員發現ZmGRAS11能夠激活細胞壁延展蛋白基因ZmEXPB12的表達。zmexpb12出現籽粒變小、細胞擴張變小的表型；相反，過表達ZmEXPB12則使籽粒明顯變大。通過對ZmGRAS11啟動子分析，研究發現啟動子上含有一個可以被灌漿調控核心轉錄因子O2激活的GCN4元件，并且O2對ZmGRAS11有較強的轉錄激活作用。
研究證明了灌漿期胚乳細胞的擴張是通過O2-ZmGRAS11為中心的轉錄網絡與胚乳灌漿過程相偶聯，其中關鍵的轉錄因子O2直接識別并激活ZmGRAS11表達。該研究首次揭示了玉米籽粒灌漿期胚乳細胞擴張的分子機理，為培育高產優質玉米提供了理論基礎。
研究工作得到中科院戰略性先導科技專項和國家自然科學基金項目的資助。
玉米胚乳增大過程
O2-ZmGRAS11偶聯胚乳灌漿和細胞擴張調控模型
日期：2021-12-01
