中科院分子植物卓越中心等揭示類胡蘿卜素調控玉米硬質胚乳形成機制

近期，中國科學院分子植物科學卓越創(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，從而影響硬質胚乳形成。

研究人員利用普通硬質玉米自交系W64A和粉質玉米自交系A619，通過連續(xù)8代回交，構建A619背景下的硬質和粉質近等基因系NILW64A和NILA619。通過BSA測序、精細定位和RNAi遺傳驗證，克隆到影響硬質胚乳形成的主效QTL—Ven1。該基因編碼β-胡蘿卜素羥化酶3(β-carotene hydroxylase 3，HYD3)在胚乳淀粉細胞中高表達，蛋白定位于淀粉體膜內側。Ven1在粉質近等基因系NILA619中存在片段缺失且表達量低，導致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性質。NILA619的淀粉體膜(內含淀粉粒)穩(wěn)定性增強且不規(guī)則擴張，在胚乳細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網(wǎng)格(matrix grid)的形成，籽粒成熟時則形成粉質胚乳。相反，硬質近等基因系NILW64A中Ven1高表達，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，有利于蛋白體及細胞質在淀粉粒表面的濃縮，形成致密的蛋白基質網(wǎng)格包圍結構。為證明非極性胡蘿卜素過量累積是導致A619粉質表型的原因，研究人員對A619進行大規(guī)模EMS誘變，獲得多個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胚乳變成硬質胚乳，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，形成硬質胚乳。

(中國生物技術網(wǎng))