调控玉米叶绿体锰与光合系统功能关键基因的克隆与鉴定

Manganese (Mn) is an essential micronutrient for plants and plays its functions in photosynthesis by taking part in splitting of water and evolving of oxygen. The symptoms of plant Mn deficiency at early stage is not clearly visual, preventing timely remediation in crop production. On the other hand, excess Mn, in particular in cytoplasm is bio-toxic, which highlights the importance of Mn homeostasis in plant cells. The prioritization of transporting Mn into organelles containing functional Mn-protein compound is probably a major reason for high Mn utilization. However, the knowledge about how Mn homeostasis is regulated by Mn-oriented transport within a plant tissue is limited. The current project aims at studying the functions of a metal ion transporter gene ZmHMA1 and one regulatory element gene ZmHSP70 so as to understand the mechanisms of Mn-efficient use in crops. The two candidate genes were selected based on the previous results through transcriptome, proteome and GWAS analysis. The proposed studies include (1) using yeast complementation and patch clamp via Xenopus oocytes for determining the substrate and affinity; (2) using analysis of in-tube RT-PCR and immunofluorescence for tissue localization of the gene expression; (3) using Mn mutants and transgenic lines for understanding of functions of the targeted genes in maintaining Mn homeostasis of photo-systems. The obtained results would be helpful for revealing the biological functions of the two genes and molecular mechanisms of Mn in maintaining the stability of photosynthetic apparatus in plants.

锰（Mn）是植物必需微量元素，在光合作用中参与水的裂解和氧的释放。植物缺Mn早期症状不明显，因此生产上施Mn肥易失时；而Mn过量则会造成植物毒害，故维持Mn营养平衡十分重要。Mn在细胞内优先向含Mn-蛋白复合物的细胞器分配可能是其高效利用的重要原因，但此优先分配的机理以及植物维持叶绿体Mn-蛋白复合物稳定而使细胞质免受毒害的机制，迄今尚不明确。申请人前期利用GWAS和多组学分析，鉴定到与玉米叶绿体Mn转运有关的候选基因ZmHMA1，并发现热激蛋白ZmHSP70可能与叶绿体Mn-蛋白复合体的稳定性有关。在此基础上开展本研究，旨在（1）利用酵母和爪蟾卵母细胞表达系统，明确离子亲和与转运能力；（2）利用原位杂交和免疫荧光分析，明确其表达的组织定位；（3）利用突变体和转基因系，明确候选基因维持光合系统Mn功能的作用。研究结果将解析目标基因的生物学功能，阐明其在Mn维持光合系统稳定上的分子机理。

锰（Mn）是动植物必需微量元素之一，在植物光合作用中参与水的裂解和氧的释放。植物锰缺乏时常发生，尤以谷类作物为甚；作为过渡金属，过量锰亦会造成毒害，因此植物体内锰的转运存在复杂而精密的调控。在光系统对锰需求较高的作物玉米中，调控叶绿体锰分配及其维持光合系统功能稳定的机制迄今尚不明确。本项目基于前期研究，对调控玉米叶绿体锰与光合系统功能的关键基因进行了克隆与鉴定，发现介导螯合态锰进入玉米类囊体的关键转运蛋白基因并发现热激蛋白基因的表达在转录水平受缺锰上调。通过超表达转运蛋白基因于Δsmf1酵母系统，发现该蛋白具有Mn-NA(nicotianamine)的转运能力；利用玉米原生质体表达系统，发现该转运蛋白基因定位于叶绿体类囊体膜，并且该基因在成熟叶中具有高表达；针对转运蛋白基因的EMS突变体与Crispr编辑材料的表型试验发现，该基因功能的缺失不影响玉米对锰的吸收与向地上部的运输，但会导致光系统对缺锰更为敏感，体现在突变体比野生型的叶片Fv/Fm下降得更快。此外，我们通过对玉米自交系耐低锰特性的系统评估，鉴定到耐低锰玉米骨干亲本K22，有望用于微量元素高效利用玉米杂交种创制。总之，本研究通过克隆与鉴定叶绿体锰转运蛋白基因的生物学功能，发现玉米中介导叶绿体内螯合态锰转运新途径，并阐明该基因在蛋白水平而非转录水平受锰调控，丰富了植物锰营养理论，为深入理解锰参与维持光合系统稳定性的调控机制奠定基础。