New Phytologist | 中国农科院生物所王磊/徐妙云团队揭示zma-miR169o调控玉米籽粒大小和粒重的新机制

2022/7/29 14:11:24　阅读：687　发布者：

玉米（Zea mays L.）是世界主要的粮食作物之一，也是重要的饲料用粮和工业原料。籽粒大小和粒重是受各种遗传和环境因素互作调控的重要农艺性状，这为玉米产量改良提供了多种途径。MicroRNAs（miRNAs）是一类长度约18～25个核苷酸的单链内源性非编码小RNAs，在转录后水平上调控基因表达，广泛参与种子发育在内的多种生物学过程，并逐渐成为作物籽粒和产量改良育种的关键靶标。在水稻中，miRNAs成员OsmiR156可直接调控OsSPL14基因的表达，从而提高植株抗倒伏能力和籽粒产量。在田间试验中，OsmiR397的过表达通过抑制漆酶活性增加了水稻籽粒大小和穗分枝，从而使水稻产量提高了25%。另一方面，抑制miR1432的表达可显著提高水稻籽粒灌浆和粒重，进而提高水稻产量。

2022年6月17日，New Phytologist在线发表了中国农业科学院生物技术研究所王磊研究员和徐妙云研究员团队合作完成的题为“miR169o and ZmNF-YA13 act in concert to coordinate the expression of ZmYUC1 that determines seed size and weight in maize kernels”的研究论文。该团队之前研究发现，miR169o是在玉米籽粒中高表达的miR169家族成员并可能受circRNA抑制，但其在种子发育中的具体作用和分子机制尚不明确。因此，本研究对zma-miR169o进行了综合性功能分析，阐明了其调控玉米籽粒大小的下游途径。

通过分别构建zma-miR169o过表达转基因玉米株系，以及采用短串联靶标模拟物构建STTM169并在野生型玉米B73中表达以抑制zma-miR169活性，进行功能鉴定。结果显示，miRNA zma-miR169o的过表达导致籽粒大小和粒重显著增加，而其表达受抑制与此恰好相反，表明zma-miR169正调控玉米籽粒发育和产量。进一步预测和实验验证发现，zma-miR169o直接负调控转录因子ZmNF-YA13在种子中的表达。与zma-miR169o功能相反，ZmNF-YA13负调控玉米籽粒大小。已知胚乳细胞数量是决定玉米籽粒大小和最终玉米籽粒产量的关键因素。对授粉后20天的早期胚乳进行石蜡切片分析显示，miR169o OE和NF-YA13 OE植株的胚乳细胞数量分别显著多于和少于WT，中央胚乳细胞的周长和面积从大到小为miR169o OENF-YA13 OE，表明zma-miR169o正调控玉米胚乳细胞分裂，zma-miR169o的过表达充分促进了中央胚乳的细胞增殖，从而产生更大的种子。

植物激素是调控细胞分裂和扩张的重要因素，玉米种子的增殖和分化主要受生长素和细胞分裂素（CK）的协同调控。生长素维持细胞的扩张和生长，而CK驱动细胞分裂过程，维持细胞增殖。玉米种子中生长素和CK浓度的变化直接影响胚乳细胞的命运。经检测发现，miR169o OE与NF-YA13 OE之间的生长素/CK比值存在显著变化。由于种子发育阶段miR169o OE的生长素/CK比值下降，胚乳细胞在发育早期分裂更频繁，从而导致胚乳细胞数量增加；而NF-YA13 OE籽粒中生长素/CK比值的增加导致胚乳细胞显著增大，而细胞增殖较慢。为追踪籽粒发育过程中生长素位置和浓度的变化，DR5::GUSplus基因盒表达以及株系杂交后观察结果显示，NFYA13 OE和miR169o OE种子生长素产生的时间分别早于和晚于WT，说明在特定发育阶段NF-YA13 OE种子中的生长素含量均高于WT和miR169o OE种子。