玉米CCD8基因响应低磷胁迫的调控机制和功能研究

Phosphorus insufficiency is a major limiting factor for maize production in medium- or low-yield areas in China; however, it remains unclear how maize plants respond to low phosphorus supplies at the molecular and genetic levels. We found that phosphorus deficiency strongly induces alternative splicing of ZmCCD8 (carotenoid cleavage dioxygenase 8) with at least three transcripts: CCD8_1、CCD8_2、CCD8_3 according to their length. CCD8-1 is up-regulated more than 100 times by phosphorus insufficiency. CCD8_1 and CCD8_2 are able to complement branching phenotype of max4, the knockout mutant of Arabidopsis CCD8 homologue, while CCD8_3, the dominant transcript under control, fails to do so probably due to lack of three β-sheets. Multiple transcripts of CCD8 are found in both maize and teosintes, indicating alternative splicing of CCD8 is conserved among these closely related species. Taking advantage of molecular, biochemical, epigenetic approaches, we specifically investigate alternative splicing of CCD8, protein localization, protein-protein interaction, biological functions of alternative transcripts, and epigenetic regulation of alternative splicing. This proposal investigates molecular and genetic mechanisms of how maize responds to low phosphorus, which lays theoretic foundation for phosphorus efficient maize breeding and continuous yield increase in maize production.

缺磷是制约我国玉米中低产地区产量持续提高的主要因素之一，但是玉米如何响应低磷的深层分子和遗传机制并不清晰。我们研究发现，缺磷强烈诱导玉米根中CCD8基因（类胡萝卜素裂解双加氧酶8）可变剪接，至少产生CCD8-1、CCD8-2、CCD8-3（从长到短）三种转录本；其中，CCD8-1表达上调100多倍。CCD8-1和CCD8-2能够对拟南芥同源基因突变体的多分枝表型进行互补；而对照条件的转录本CCD8-3在N端缺失三个β折叠，不能互补拟南芥同源基因突变体的多分枝表型。种间比较研究表明，CCD8的这种低磷可变剪接响应在栽培玉米和野生玉米之间是保守的。鉴于此，本申请将利用分子生物学、生物化学、和表观遗传学等方法深入研究玉米CCD8基因响应低磷的可变剪接调控、蛋白定位、蛋白相互作用、基因调控网络、可变剪接体的生物学功能、以及可变剪接的表观遗传调控机制，为玉米磷高效品种选育和持续增产提供新的理论支撑。

通过植物营养生理与分子生物学研究，深入解析玉米CCD8与CCD8b功能及其调控玉米磷高效利用的分子机制，取得如下重要进展：一、玉米类胡萝卜素裂解双加氧酶CCD8催化裂解多种类胡萝卜素，其表达水平直接受供磷强度调控，且通过多种转录本差异调控磷吸收利用效率：1)ZmCCD8在根系与雌穗高水平表达，且在低磷条件持续上调表达，增幅可高达140倍。在根系，ZmCCD8主要在伸长区和分生区表达，其蛋白定位于质体。2)ZmCCD8具有可变剪接特征，在磷充足条件以缺失ß折叠的短版转录本为主导，而低磷诱导长转录本大幅表达。3)短版和长版CCD8蛋白都至少催化裂解6种线性及环状类胡萝卜素底物，但是短版CCD8不能抑制max4突变体分枝，长版CCD8却有效减少max4分枝，表明长版和短板CCD8蛋白具备类似的基本生化功能，但短版CCD8丧失介导独脚金内酯合成的生物学功能。4)CCD8长转录本过表达促进根系生长，增强磷转运蛋白表达，在低磷条件提高磷吸收和转移利用，导致更多磷向地上部转运而耐低磷胁迫；而较短转录本过表达降低转基因株系磷吸收，且将更多磷分配到根系，从而对低磷敏感。二、ZmCCD8b不介导独脚金内酯合成，是CCD家族独特的进化成员，通过PHR通路调控磷吸收与分配，从而增强玉米耐低磷能力。1)ZmCCD8b在根系受低磷诱导上调表达，特别是在冠根根尖与中柱鞘强烈表达，其蛋白也定位于质体。2)ZmCCD8b有效催化裂解β-胡萝卜素等线性及环状类胡萝卜素底物，产生香叶基丙酮、β-紫罗兰酮等香气物质。3)ZmPHR能够结合ZmCCD8b启动子区域的PIBS元件，并调控ZmCCD8b表达。ZmCCD8b干扰导致叶片类胡萝卜素含量下降，ZmCCD8b干扰株系通过PHR1-PHO2-PHO1途径调控磷吸收与分配、抑制地上部生长而不耐低磷。ZmCCD8b过表达提高叶片类胡萝卜素含量，增强“信号”途径及磷转运蛋白基因表达，在低磷条件优先将磷分配到地上部而更耐低磷。类似地，CCD7调控独脚金内酯合成并调控玉米低磷响应。三、ZmPHR直接调控氨基酸转运，是磷营养与氮营养的内在联结点。ZmPHR是玉米低磷的核心调控因子，能够结合并调控广谱氨基酸转运蛋白基因ZmAAP2和ZmLHT1表达，从而调控玉米籽粒发育。此外，发现玉米、谷子、拟南芥具有迥异的低磷、低氮响应机制，并总结了植物低磷响应的生理和分子机制。