玉米是全球重要的粮食作物之一,随着全球平均温度的逐年增高,高温逐渐成为影响玉米生长和产量的重要环境因素之一。植物糖基转移酶作为一种翻译后修饰,在植物的次生代谢和非生物胁迫中具有重要的地位。目前已经克隆并验证了多个非生物胁迫相关的糖基转移酶基因(如GSA1、UGT706C2等),但其在玉米耐热调控机制中发挥的作用却少有研究。
近日,安徽农业大学生命科学学院江海洋团队在The Crop Journal在线发表了题为“The ZmHSF08-ZmUGT92A1 module regulates heat tolerance by altering reactive oxygen species levels in maize”的研究论文,通过分析ZmHSF08和ZmUGT92A1的生物学功能,证明玉米ZmHSF08-ZmUGT92A1分子模块通过调节热胁迫下类黄酮稳态从而改变玉米体内的活性氧水平以应对高温胁迫的适应策略。
研究者前期在玉米中克隆到一个和耐热相关的糖基转移酶基因(ZmUGT92A1),通过获得基因敲除和过表达株系对其进行表型分析,发现ZmUGT92A1正调控玉米的耐热性。生理指标分析显示,ZmUGT92A1通过维持活性氧相关指标的稳定以减少热胁迫带来的氧化损伤(图1)。利用代谢组学分析了热胁迫下的代谢物变化,结果显示ZmUGT92A1影响了玉米在热胁迫下次生代谢产物的数量和类黄酮的稳态(图2)。酶活分析发现,ZmUGT92A1对类黄酮和槲皮素表现出糖基转移酶活性,其中槲皮素在体内外均具有较强的活性氧清除能力。深入研究发现玉米热激转录因子ZmHSF08结合ZmUGT92A1的启动子并抑制该基因的表达从而调控玉米的耐热性。研究者通过获得ZmHSF08过表达株系证明了该基因负调控玉米的耐热性。研究结果为培育玉米耐热新品种提供了重要的基因资源。
图1 ZmUGT92A1敲除突变体和过表达株系的耐热性及生理指标分析
图2 热胁迫下ZmUGT92A1对类黄酮代谢稳态的影响
作者和基金项目
安徽农业大学生命科学学院在读博士研究生李浩为该文第一作者,江海洋教授和青年教师彭晓剑博士为共同通信作者。该研究得到国家重点研究发展计划项目(2021YFF1000301)和国家自然科学基金项目(31771805)的资助。该团队长期从事玉米耐热性研究,发现了玉米热胁迫中的关键基因ZmUGT92A1可以通过维持热胁迫下类黄酮的稳态进而调节玉米的耐热性,验证了玉米热激转录因子ZmHSF08在玉米热胁迫下的基因功能和调控机制,揭示了玉米ZmHSF08-ZmUGT92A1分子模块在玉米耐热性中的重要作用。研究结果促进了对玉米热形态建成和调控网络的理解,为提高玉米的耐热新品种培育提供了新基因资源,具有重要的理论和现实意义。
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