SCLS｜华中农大严建兵团队发现光照和缺氧诱导的基因ZmPORB1控制玉米籽粒中生育酚的含量

玉米是世界三大作物之一，可作为食物、饲料和生物能源，富含多种微量营养物质。生育酚是一种重要的脂溶性抗氧化物质，在植物、部分藻类和蓝细菌中合成，人和动物通过膳食摄入，可有效预防癌症等多种疾病。生育酚对植物种子脱水、休眠、寿命及幼苗早期生长有重要作用，可以增强植物对多种逆境的抵抗和适应能力。同时，饲料中提高生育酚含量，能够提升肉类品质，延长储藏时间。因此，鉴定影响生育酚含量的基因，解析玉米种子中生育酚的功能，有利于高营养价值玉米品种的选育。

近日，华中农业大学严建兵教授团队在SCIENCE CHINA Life Sciences杂志上，发表了题为“The light and hypoxia induced gene ZmPORB1 determines tocopherol content in the maize kernel”的论文。该研究中，研究人员克隆了一个影响玉米籽粒生育酚含量的相关基因ZmPORB1，该基因能够正向调节玉米籽粒中的生育酚含量。过表达该基因，玉米籽粒中的生育酚含量显著提升，而敲除该基因，则导致玉米籽粒中的生育酚含量显著下调。

图1 控制玉米籽粒生育酚含量的主要QTL-qVE1的精细定位

图2  ZmPORB1参与低氧和光响应并影响发育玉米胚中叶绿素的模型

ZmPORB1（por1）注释为原叶绿素酸酯氧化还原酶，将原叶绿素酸酯转变为叶绿素酸酯，是叶绿素合成途径中关键的调控基因。作者发现胚中ZmPORB1启动子区插入13.7Kb转座子抑制该基因的表达并降低胚中生育酚、叶绿素含量和光合活性，同时胚中氧化还原状态发生了变化，一氧化氮含量增加，过氧化氢水平降低，但不影响生育酚前体代谢物尿黑酸和植基单磷酸的水平。这表明籽粒中生育酚的变化不是由于叶绿素和生育酚合成量的变化引起的，而可能与生育酚降解有关。进一步研究发现，ZmPORB1表达量可被低氧和光诱导，参与发育胚中低氧响应。

最终，作者提出了一个关于ZmPORB1如何参与低氧和光响应并影响发育玉米胚中的叶绿素，一氧化氮和γ-生育酚水平的模型。发育的玉米胚中可以合成叶绿素，并进行微弱的光合作用，为胚中生理活动提供少量的氧气，处于自然的低氧环境。ZmPORB1的表达受到到达胚表面的入射光和低氧的调节，并影响叶绿素的合成，从而进一步影响光合活性和氧气释放。同时，γ-生育酚响应低氧环境中一氧化氮的变化，导致其含量变化。该研究结果揭示了光和低氧两个重要的环境因子调节ZmPORB1的表达量进而影响叶绿素含量的新反馈途径微调玉米胚中内源性氧浓度的机制。

华中农业大学植物科学技术学院的博士后刘楠楠与博士生杜沅昊为文章的第一作者，严建兵教授为文章的通讯作者，广东省农业科学院晏石娟研究员和黄文洁副研究员，华中农业大学陈伟教授，课题组已毕业邓敏博士，王虹博士，湛蔚博士，西北农林科技大学徐淑兔副教授，中国科学院植物研究所尹燕工程师，中国科学院深圳先进技术研究院合成基因组学研究中心赵乔研究员参与了本项目的研究，中国农业大学杨小红教授提供了玉米群体材料，德国马克斯-普朗克研究所Alisdair R. Fernie教授为文章的撰写和修改提供了宝贵的建议。该研究得到了国家自然科学基金，国家重点研发计划，广东省重点领域研发计划和华中农业大学科学技术自主创新基金的资助。

原文链接：

http://engine.scichina.com/doi/10.1007/s11427-023-2489-2

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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