北京時間2024年11月12日晚，《細胞》（Cell）雜誌線上發表了華中農業大學嚴建兵教授團隊的研究論文“A Zea genus-specific micropeptide controls kernel dehydration in maize”，為開啟籽粒脫水這扇大門找到了一把有效的鑰匙。研究鑑定到一個影響籽粒脫水的小肽microRPG1，是玉米及其近緣種中特有的一種含31個氨基酸的新型小肽，由非編碼序列從頭起源，透過精確調節乙烯訊號通路關鍵基因的表達來控制籽粒脫水。該研究首次揭示了玉米籽粒脫水的分子機制（圖1），為快脫水宜機收玉米培育奠定重要基礎。
玉米是我國種植面積最大、總產量最高的作物，但長期受限於缺乏快脫水的品種，玉米機械粒收水平較低，影響了生產效率和種植成本。迄今為止，控制籽粒脫水速率這一性狀的基因很少被克隆，其潛在機制尚不清楚，這是難以透過遺傳改良培育快脫水宜機收玉米品種的根本原因。
圖1. microRPG1調控籽粒脫水的機制
研究團隊圍繞這一產業關鍵問題持續攻關，建立了籽粒脫水錶型田間鑑定技術，利用該技術透過QTL定位，定位到四個影響籽粒脫水的QTL（圖2A），本研究對其中一個主效QTL-qKDR1進行了精細定位，併成功縮小至1417-bp，發現是一段不編碼任何蛋白也不轉錄的DNA序列，在目標區域雙親之間存在一個約6.2Kb的轉座子序列(圖2)。敲除雙親序列後，不管是否含有轉座子，都能導致籽粒脫水速率顯著降低。分析表明，qKDR1可能作為一個抑制子，抑制其上游約10Kb處一個名為RPG （qKDR1 REGULATED PEPTIDE GENE）基因的表達。進一步研究發現，RPG就是qKDR1調控的目標基因，兩個轉錄因子ZmMYBST1和ZmMYBR43可以結合到qKDR1而抑制RPG的表達。
圖2. qKDR1是控制籽粒脫水的位點
RPG在玉米基因組中尚未被註釋，是一個全新的基因。研究團隊透過多種技術共同證明了RPG透過編碼一段31個氨基酸的小肽發揮功能，命名為microRPG1。敲除microRPG1可加快脫水速率，超表達則顯著降低脫水速率。進一步研究發現microRPG1可能透過調控乙烯訊號途徑中的關鍵基因ZmEIL1和ZmEIL3的表達而影響脫水。RPG在授粉後26天的籽粒中表達，在38天達到最高，此時玉米籽粒灌漿基本結束，調控乙烯的表達可以促進籽粒的快速脫水，又不影響產量，實現了產量和脫水的平衡。這一發現也為下一步籽粒脫水的精準調控提供了新思路。
microRPG1和任何已知的小肽並不同源，在其它物種中也未被鑑定到，是玉米及其近緣種特有的，其如何起源是一個值得探究的問題。研究發現，該小肽僅在玉蜀黍屬和摩擦禾屬中存在同源序列，在禾本科的其他成員中沒有。雖然相似的序列存在於摩擦禾屬中，但缺乏起始密碼子，不能翻譯，無法行使功能。在玉蜀黍屬中，一個核苷酸（ACG到ATG）的突變產生了新的起始密碼子，導致一段非編碼序列起始翻譯，從頭產生了一個新基因。系統發育樹表明，該突變可能發生在65萬年前玉蜀黍屬和摩擦禾屬分化之後（圖3），該發現為新基因的起源提供了一個新的範例，也為從頭創造新基因提供了方向。
圖3. microRPG1小肽從頭起源於一個非編碼序列
這一獨特的小肽在其它物種中是否起作用？研究團隊體外合成該小肽並外源施加於擬南芥，發現可以顯著延遲角果的成熟，並顯著提高了擬南芥種子的水分含量。在擬南芥中超表達microRPG1，也能夠顯著延遲角果的成熟。擬南芥的根可以吸收小肽並可以被運輸到地上部分。這些結果暗示microRPG1小肽在其它物種中可能具有保守的功能，這為進一步探索該小肽的應用價值提供了富有想象的空間。
適合機械化收穫的玉米籽粒含水量要求在15%至25%之間，但我國大多數玉米品種在收穫時的含水量通常在30%至40%之間。多年多點的試驗表明，敲除microRPG1可使收穫時的籽粒含水量下降2%至17%，平均下降7%，同時其他農藝和產量性狀沒有明顯的變化。研究團隊分析了數百份具有代表性的玉米種質材料，發現幾乎所有的材料都存在RPG基因，意味著操縱RPG來改變籽粒脫水速率培育宜機收的品種具有巨大的應用潛力。據悉，團隊圍繞玉米籽粒脫水的精準調控已經佈局多個專利，並授權未米生物公司開展商業化應用，目前已經取得良好進展。
作物遺傳改良全國重點實驗室、湖北洪山實驗室、崖州灣國家實驗室嚴建兵教授為該論文的通訊作者。博士研究生餘延輝、劉塬方，青年教師李文強副教授為該論文的共同第一作者，華中農業大學劉衍軍教授、歐陽亦聃教授、楊寧教授、肖英傑教授、賴志兵教授、殷平教授、卓琳老師，華中農業大學講座教授David Jackson，未米生物科技有限公司許潔婷博士，華中科技大學薛宇教授，崖州灣國家實驗室主任科學家劉海軍研究員、賈安強博士，以及德國馬普分子植物生理研究所Alisdair R. Fernie教授等多個團隊的師生參與了該項工作或提供了有價值的討論。該研究得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、湖北省科技廳重大專案及111計劃等專案的支援。
論文連結：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.10.030
來源：華中農業大學
