中国农业大学资环学院张福锁院士团队李学贤教授课题组在《植物生物技术》发文揭示独脚金内酯调控玉米籽粒糖和氨基酸积累的分子机制

近日，中国农业大学资环学院张福锁院士团队李学贤课题组在《植物生物技术》（Plant Biotechnology Journal ）发表了题为《ZmCCD8 通过独角金内酯信号调节玉米籽粒中的糖和氨基酸积累》（ZmCCD8 regulates sugar and amino acid accumulation in maize kernels via strigolactone signaling）的研究论文，揭示了类胡萝卜素裂解双加氧酶8（CCD8 ）通过SL信号调控玉米籽粒中糖和氨基酸积累的分子机制。

玉米（Zea Mays）是重要的粮食、经济和饲料作物，在保障粮食安全方面发挥着极其重要的作用。在玉米灌浆过程中，碳和氮的同化产物通过穗轴向籽粒运输，促进籽粒建成与发育。碳（糖）和氮（氨基酸）运输是决定作物产量的关键因素，但如何调控糖和氨基酸协同运输从而最大限度地提高作物产量仍然是亟待解决的关键生物学问题。独脚金内酯（SL）是一类由类胡萝卜素衍生的植物激素，主要在植物根系合成，能够向根际中分泌来促进菌根真菌与植物共生，或向地上部运输以调控植物株型和果实生长发育。但是，目前关于SL是否协同调控籽粒糖和氨基酸积累及其生物学机制仍知之甚少。

李学贤课题组研究发现过表达SL关键合成酶 ZmCCD8 可使玉米雌穗直径增大，促进籽粒中蔗糖和氨基酸的积累； zmccd8 的功能缺失突变体则会抑制玉米籽粒生长，同时降低籽粒中蔗糖和氨基酸的浓度。转录组分析表明，转录因子 ZmMYB42 和 ZmMYB63 在 ZmCCD8 过表达株系籽粒中下调表达，而在 zmccd8 敲除株系籽粒中上调表达。生化试验结果表明，ZmMYB42和 ZmMYB63可直接与糖转运蛋白 ZmSWEET10 和 ZmSWEET13c 以及赖氨酸/组氨酸转运蛋白 ZmLHT14 的启动子结合并抑制其表达，且这一过程受到转录因子UNBRANCHED 3（UB3）的负向调控。重要的是， zmmyb42 和 zmmyb63 的敲除突变体显著促进玉米籽粒中可溶性糖和游离氨基酸的积累； ZmLHT14 的过表达株系则会促进籽粒中氨基酸的积累。另外，过表达SL受体 DWARF 14B （ D14B ）导致更多的蔗糖和氨基酸在籽粒中积累，且会抑制 ZmMYB42 和 ZmMYB63 的表达，而促进 ZmSWEET s和 ZmLHT14 的表达。

综上所述，该研究揭示了SL通过其信号通路转录因子调控籽粒中蔗糖和氨基酸的积累，进而促进玉米生长的生物学机制。全基因组关联分析结果表明， ZmCCD8 上游启动子区域的两个SNPs位点与雌穗直径和穗轴直径显著关联，进一步说明 ZmCCD8 在育种中具有提高玉米产量和氮利用效率的潜力。

关于ZmCCD8调节玉米籽粒中糖和氨基酸积累的示意图模型

中国农业大学博士后钟妍婷为文章第一作者，李学贤教授为通讯作者。该研究获国家重点研发计划（2021YFF1000500）、国家自然科学基金项目（31972491）和中国博士后科学基金面上项目（2022M713396）的资助。中国农业大学资源环境学院张福锁院士、园艺学院张小兰教授、生物学院王毅教授、陈丽梅教授、农学院董朝斌教授、刘文欣副教授、草业科学与技术学院任伟副教授、理学院高级实验师徐彦军博士、中科院遗传发育研究所高级实验师褚金芳博士、广东省农业科学院副研究员潘晓英博士、荷兰阿姆斯特丹大学Harro Bouwmeester教授、德国慕尼黑工业大学于鹏教授指导并参与了本项研究工作。