近日，我校生命科学学院、亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室、岭南现代农业科学与技术广东省实验室王海洋教授课题组在New Phytologist （IF2022 = 10.323）上发表了题为“ZmSPL13 and ZmSPL29 act together to promote vegetative and reproductive transition in maize”的研究论文（链接：https://doi.org/10.1111/nph.19005），解析了玉米ZmSPL13/29参与年龄途径调控玉米开花期的分子机制。
玉米（Zea mays）是全球种植范围最广且产量最高的农作物，其产量的充足供应是保证全球粮食安全的关键。开花期是玉米适应不同生态环境种植的关键因素，开花期的长短直接决定了玉米的生态分布，而营养生长时相转变和成花转变决定了玉米的开花期。年龄途径（miR156-SPL-miR172-AP2）是植物不依赖光周期的开花调控通路。玉米miR172-Gl15分子模块在调控玉米幼龄期向成年期的转变（营养生长时相转变）中发挥重要作用，但该模块上下游的调控元件尚不明确。玉米基因组中共有30个ZmSPLs基因，可能受miR156靶向的有18个，哪些ZmSPLs参与年龄途径并调控玉米开花期仍不清楚。因此，挖掘控制玉米营养生长时相转变和成花转变的关键ZmSPLs基因并解析其调节机制，可为培育、筛选和改良广适的玉米新品种提供理论基础。本研究首次揭示了两个SPL基因家族成员ZmSPL13/29（miR156潜在的靶基因）是玉米营养生长时相转变和成花转变的正调节因子。ZmSPL13/29主要在叶片维管组织的韧皮部、花序的营养分生组织和生殖分生组织中特异性表达，且ZmSPL29具有更强的表达模式。利用CRISPR/Cas9基因编辑技术，创制了ZmSPL13/29的敲除株系；同时也创制了ZmSPL29过量表达（ZmSPL29-OE）植株。田间表型调查发现，与分离的野生型（WT）相比，Zmspl13单突变体和Zmspl29单突变体植株在短日照（SD）条件下表现适度晚花，但在长日照（LD）条件下并无明显开花期差异；而Zmspl13/29双突变体不论在LD条件，还是SD条件下都表现为晚花；相反，ZmSPL29-OE植株在LD和SD条件下均表现为早花；以上结果表明：ZmSPL13/29能促进玉米开花。此外，该研究发现ZmSPL29-OE早花株系可应用于玉米骨干自交系的开花期。
图1：ZmSPL13/29正调节玉米营养生长时相转变和成花转变
进一步研究发现，在叶片中，ZmSPL13/29不仅能转录激活miR172基因家族成员ZmMIR172C的表达，进而抑制其靶基因Gloosy15（Gl15）的表达，该基因是玉米营养生长时相转变抑制因子，从而促进玉米提早进行营养生长时相转变；还能直接激活成花素基因ZCN8的表达，诱导玉米开花；在茎尖分生组织中，ZmSPL13/29能特异性结合在花器官发育基因ZMM3/4的启动子上，促进二者的表达，诱导玉米成花转变。该研究发现ZmSPL13/29可作为miR156-SPL和miR172-Gl15调控模块的桥梁，为理解玉米开花调控机制提供了新思路，也为培育、筛选和改良适合不同生态区种植的玉米新品种提供优异的基因和种质资源。
图2：ZmSPL13/29调控玉米营养生长时相转变和成花转变的作用模型
该研究以我校生命科学学院为第一完成单位，生命科学学院博士研究生杨娟及魏洪彬副教授为论文共同第一作者，孔德鑫副研究员和王海洋教授为论文共同通讯作者。该研究得到广东省重点研发计划、国家自然科学基金、广东省自然科学基金、岭南现代农业项目实验室和海南崖州湾种子实验室基金的资助。
文图／生命科学学院