近日，由我院資源所趙涵團隊獨立完成的研究論文《Nitrogen-dependent binding of the transcription factor PBF1 contributes to the balance of protein and carbohydrate storage in maize endosperm》在國際著名學術期刊《The plant cell》正式發表，報道了在玉米籽粒碳氮平衡研究的重要研究成果。
氮素（N）是植物生長發育需求量最大的礦質營養元素， 也是促進作物增產的關鍵因素之一。玉米是重要的糧飼作物和生物能源作物， 對我國的糧食安全具有重要戰略作用，其產量和品質對氮肥施用量依賴度極高。農民為保證玉米產量通常施用大量的氮肥但是玉米的品質卻得不到保證，另外氮肥過度施加， 不僅增加生產成本， 造成資源浪費， 還引發水體富營養化和土壤酸化等環境問題。因此， 為了農業的綠色發展， 研究玉碳氮平衡的機制并挖掘其中重要的調控基因，有助于實現玉米生產過程中減肥不減產的目標。
種質資源創新團隊研究發現氮的限制影響了玉米胚乳發育過程中氮和碳（C）代謝的許多關鍵基因的表達。該研究發現缺氮顯著影響玉米籽粒淀粉和蛋白含量，及籽粒氮和碳（C）代謝途徑中許多關鍵基因的表達。這些碳氮代謝差異表達基因的啟動子區域富含P-box序列。P-box基序是玉米胚乳特異表達轉錄因子PBF1的結合motif序列，說明PBF1可能與這些關鍵基因差異表達有關聯。該基因功能缺失后改變了胚乳中淀粉和蛋白質的積累，說明PBF1參與籽粒碳氮代謝。基于正常氮和缺氮環境下授粉15天后玉米胚乳的qRT-PCR、Western Blot以及RNA in situ hybridization檢測，發現PBF1在不同氮素環境下表達水平和表達部位沒有差異。有意思的是PBF1在不同氮素環境下結合的靶標基因不同，特別是與碳氮化合物的合成和積累有關的基因。在缺氮環境時，一部分玉米醇溶蛋白編碼基因的啟動子并沒有被PBF1結合，與之對應的是這些醇溶蛋白編碼基因的轉錄本水平降低，表明PBF1促進玉米蛋白在胚乳中的積累。同時，在缺氮環境下未被PBF1結合sugary1和淀粉分支酶2b基因的轉錄水平顯著上調。研究還發現PBF1抑制sugary1和淀粉分支酶2b的表達。結果表明：氮缺乏情況下，PBF1將用于合成玉米醇溶蛋白的C骨架更多的流向碳水化合物的形成。該研究結果為玉米生產中的實現減肥不減產提供了一種理論依據。
我院資源所玉米種質資源創新團隊寧麗華博士和王元琮博士為論文第一作者，趙涵研究員為通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金、江蘇省農業科技自主創新資金和江蘇省農業生物學重點實驗室重大自主研究課題等項目的資助。
原文鏈接：https://academic.oup.com/plcell/advance-article/doi/10.1093/plcell/koac302/6759374?rss=1
日期：2022-10-17
氮素（N）是植物生長發育需求量最大的礦質營養元素， 也是促進作物增產的關鍵因素之一。玉米是重要的糧飼作物和生物能源作物， 對我國的糧食安全具有重要戰略作用，其產量和品質對氮肥施用量依賴度極高。農民為保證玉米產量通常施用大量的氮肥但是玉米的品質卻得不到保證，另外氮肥過度施加， 不僅增加生產成本， 造成資源浪費， 還引發水體富營養化和土壤酸化等環境問題。因此， 為了農業的綠色發展， 研究玉碳氮平衡的機制并挖掘其中重要的調控基因，有助于實現玉米生產過程中減肥不減產的目標。
種質資源創新團隊研究發現氮的限制影響了玉米胚乳發育過程中氮和碳（C）代謝的許多關鍵基因的表達。該研究發現缺氮顯著影響玉米籽粒淀粉和蛋白含量，及籽粒氮和碳（C）代謝途徑中許多關鍵基因的表達。這些碳氮代謝差異表達基因的啟動子區域富含P-box序列。P-box基序是玉米胚乳特異表達轉錄因子PBF1的結合motif序列，說明PBF1可能與這些關鍵基因差異表達有關聯。該基因功能缺失后改變了胚乳中淀粉和蛋白質的積累，說明PBF1參與籽粒碳氮代謝。基于正常氮和缺氮環境下授粉15天后玉米胚乳的qRT-PCR、Western Blot以及RNA in situ hybridization檢測，發現PBF1在不同氮素環境下表達水平和表達部位沒有差異。有意思的是PBF1在不同氮素環境下結合的靶標基因不同，特別是與碳氮化合物的合成和積累有關的基因。在缺氮環境時，一部分玉米醇溶蛋白編碼基因的啟動子并沒有被PBF1結合，與之對應的是這些醇溶蛋白編碼基因的轉錄本水平降低，表明PBF1促進玉米蛋白在胚乳中的積累。同時，在缺氮環境下未被PBF1結合sugary1和淀粉分支酶2b基因的轉錄水平顯著上調。研究還發現PBF1抑制sugary1和淀粉分支酶2b的表達。結果表明：氮缺乏情況下，PBF1將用于合成玉米醇溶蛋白的C骨架更多的流向碳水化合物的形成。該研究結果為玉米生產中的實現減肥不減產提供了一種理論依據。
我院資源所玉米種質資源創新團隊寧麗華博士和王元琮博士為論文第一作者，趙涵研究員為通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金、江蘇省農業科技自主創新資金和江蘇省農業生物學重點實驗室重大自主研究課題等項目的資助。
原文鏈接：https://academic.oup.com/plcell/advance-article/doi/10.1093/plcell/koac302/6759374?rss=1
日期：2022-10-17
