Mol Plant | 中国农科院作科所揭示玉米籽粒蛋氨酸含量的遗传调控机制

玉米是全球重要作物，其中约60%被用作畜禽饲料。然而，玉米饲料中常缺乏蛋氨酸、色氨酸和赖氨酸等必需氨基酸，尤其是作为畜禽限制性氨基酸的蛋氨酸。蛋氨酸摄入不足会降低饲料转化效率并影响畜禽生长发育，同时增加氮排泄加剧环境氮污染。因此，通过遗传改良提高玉米籽粒蛋氨酸含量的生物强化策略，对饲料行业意义重大。

近日，中国农业科学院作物科学研究所李新海研究员团队在Molecular Plant发表了题为Natural variations in the promoter ofZmDeSI2encoding a deSUMOylating isopeptidase controlling kernel methionine content in maize的研究论文，揭示了控制玉米籽粒蛋氨酸含量的遗传基础和分子机制。

研究团队精准鉴定348份玉米自交系在两年三点环境下籽粒蛋氨酸含量，结合~30×重测序基因型和授粉后20天籽粒胚乳转录组数据，通过全基因组关联分析，解析了控制籽粒蛋氨酸含量位点的基因组分布特征，鉴定到调控玉米籽粒蛋氨酸含量关键候选基因ZmDeSI2，编码玉米中去小类泛素化修饰蛋白异肽酶。ZmDeSI2基因表达量与籽粒蛋氨酸含量呈极显著负相关，在玉米自交系群体中该基因优异单倍型ZmDeSI2Hap2籽粒蛋氨酸含量显著高于ZmDeSI2Hap1。ZmDeSI2敲除株系中籽粒蛋氨酸含量显著增加，过表达株系中籽粒蛋氨酸含量降低，说明ZmDeSI2负向调控籽粒蛋氨酸含量（图1）。

图1 玉米自交系籽粒Met含量的GWAS分析

通过候选基因关联分析发现ZmDeSI2启动子区域变异与籽粒Met含量表型显著关联。对ZmDeSI2的转录调控机制分析发现，ZmDeSI2启动子活性区域位于转录起始位点上游250-1500 bp之间，优异单倍型ZmDeSI2Hap2在该区间内丢失了启动子活性区域，影响了转录因子WRKY105与基因的结合能力，导致基因表达水平显著降低，从而解除了对蛋氨酸合成限制，显著增加了籽粒蛋氨酸含量（图2）。

图2 ZmWRKY105正向调控ZmDeSI2的表达

ZmDeSI2具有去SUMO （ small ubiquitin-related modifiers，小泛素样修饰蛋白）化异肽酶结构域，通过体外和体内SUMO化实验首次验证了玉米中ZmDeSI2的去SUMO化功能。结合IP-MS，LCI，Co-IP，BiFC和Pull-down等实验证明了ZmDeSI2作用于Met同化路径中亚硫酸还原酶ZmSIR。体外无细胞降解实验结果表明了ZmDeSI2通过介导亚硫酸盐还原酶ZmSIR的SUMO化修饰水平调节ZmSIR蛋白积累，进而调控蛋氨酸的生物合成（图3）。

图3 ZmDeSI2调控ZmSIR的SUMO化程度调节蛋白降解

通过分子标记辅助选择技术，将ZmDeSI2优异单倍型回交转育至低蛋氨酸含量自交系WC009，在其他农艺性状保持稳定的情况下，使籽粒蛋氨酸含量提高1.36倍。该研究首次绘制出ZmDeSI2调控玉米籽粒蛋氨酸合成的精细图谱，为玉米品质分子设计育种提供了精准靶点。

图4 WRKY105-ZmDeSI2-ZmSIR基因模块调控玉米籽粒蛋氨酸含量的分子机制

作物科学研究所博士后鲁鑫为该论文的第一作者，李新海研究员、翁建峰研究员和周志强副研究员为通讯作者。河南省农业科学院粮食作物研究所韩小花研究员对氨基酸表型数据收集提供了支持。中国农业科学院作物科学研究所李文学研究员和许振南副研究员为本研究提供了宝贵建议。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金项目、国家玉米产业技术体系等资助。

https://doi.org/10.1016/j.molp.2025.04.008