农科院李文学团队解析miR528在玉米中的新功能——通过调控木质素合成影响高氮条件下玉米倒伏性
2018/3/29 

玉米氮肥施用过量的问题在我国非常普遍。氮肥施用量过高不仅引起一系列环境问题,也易使玉米在生育后期发生倒伏,造成严重减产。据估计,我国每年因玉米倒伏造成的产量损失近100万吨。虽然大家公认氮肥与玉米倒伏密切相关,但是其中的机制一直有待于破解。


2018年3月27日,中国农业科学院作物科学研究所李文学团队在国际知名学术期刊Molecular Plant上在线发表了题为“microRNA528 affects lodging resistance of maize by regulating lignin biosynthesis under nitrogen-luxury conditions”的研究论文。
该研究发现miR528通过靶基因ZmLAC3ZmLAC5调控玉米木质素合成,进而影响高氮条件下玉米的倒伏性。该研究首次详尽阐述了miRNA、氮素与木质素三者之间的关系,为培育抗倒伏玉米品种提供了强有力的分子生物学证据。



miR528是特定单子叶植物所特有的miRNA。虽然有研究表明miR528在水稻中能够通过下调其靶基因L-抗坏血酸氧化酶参与病原菌免疫反应,但玉米中miR528的靶基因与水稻明显不同,暗示miR528在玉米中具有与水稻完全不同的功能。茎环引物逆转录聚合酶链反应表明,玉米中miR528能够响应氮胁迫,在高氮条件下上调表达,而在低氮条件下下调表达。通过硫代酸解法和乙酰溴法测定木质素含量发现高氮能够抑制玉米体内木质素单体H、G和S的产生,导致玉米体内总木质素含量下降。通过瞬时表达系统及其改良的5'-RACE技术证实ZmLAC3ZmLAC5为ZmmiR528的真实靶基因。原位杂交结果显示,ZmmiR528主要在玉米维管束组织中表达。与野生型相比,利用miRNA target mimicry技术获得的ZmmiR528敲减转基因玉米的茎杆穿刺力和木质素含量均显著增加,与之相反,ZmmiR528过表达转基因玉米茎杆穿刺力和木质素含量均明显下降,在高氮条件下更易倒伏。ZmLAC3过表达转基因玉米茎杆木质素含量和穿刺力增加,表现出与ZmmiR528敲减转基因玉米一致的表型。转录组数据显示,木质素合成路径关键酶基因ZmPAL在ZmmiR528敲减转基因玉米中上调表达。高氮条件下,ZmmiR528敲减转基因玉米中ZmPAL的表达量远高于野生型及ZmmiR528过表达转基因玉米。以上研究表明,miRNA528会通过直接调控ZmLAC3ZmLAC5的丰度影响木质素合成路径关键酶基因ZmPAL的表达,从而决定了高氮条件下玉米的抗倒伏性。

这个发现不仅首次解析了植物高氮胁迫反应与木质素合成这两个生物学过程之间存在的具体的基因调控通路,还报道了单子叶植物特异性miR528在玉米中调控木质素合成的生物学功能,该功能与同为禾本科植物的水稻miR528参与病原菌免疫调控的功能不同,说明单子叶植物miRNA在功能和进化上可能存在着较大的分歧。

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