玉米新粉质胚乳突变体基因Opaque17的功能研究

Maize (Zea mays) is the most important cereal crop in the world. The composition and content of starches, zeins and amino acids determine the quality and productivity of maize. Research on the development and storage components accumulation process in maize endosperm is significant for the improvement of yield and nutritional quality. Maize opaque mutants are ideal research materials for the study of maize endosperm development. Although several opaque endosperm mutant genes were cloned, the molecular mechanism for the storage components metabolic regulation and opaque phenotype has not been fully explained. In our previous study, we identified a novel opaque mutant, opaque17 (o17). Large starch grains, significant decrease in amylose content, and significant increase in sulfur-containing amino acids (cysteine and methionine) content were observed in o17seeds. Using positional cloning approach along with Mu-flanking fragments isolation method we cloned O17 gene. In this study, we will conduct in-depth researches on O17 gene function by performing metabonomics, gene expression pattern, protein-protein interaction and transcriptome analysis, in order to reveal the molecular mechanisms for the phenotypic appearance of o17 mutant.

玉米（Zea mays）是全世界重要的粮食作物。淀粉、蛋白质以及氨基酸的含量和营养组成是玉米品质改良的主要方面。研究胚乳的发育和物质积累过程对提高玉米产量和营养品质具有关键意义。粉质胚乳突变体是研究玉米胚乳发育过程的重要研究材料。经典粉质胚乳突变体基因相继被克隆，但籽粒储藏物质代谢积累和胚乳发育调控的分子机制并未获得全面阐释。opaque17（o17）是本课题组发现的一个全新粉质胚乳突变体。o17突变体淀粉粒变大，直链淀粉的相对含量显著下降，而含硫氨基酸（半胱氨酸和甲硫氨酸）含量显著升高，具有改善玉米籽粒营养品质的重要应用价值。我们前期通过图位克隆结合Mutator标签分离的方法完成了对O17基因的克隆。本研究将在此基础上，通过代谢组检测、表达模式分析、定位分析和互作蛋白检测等，对O17基因功能进行深入研究，以期揭示该基因在籽粒储藏物质代谢积累和粉质胚乳表型形成方面的功能和相关分子机制。

玉米（Zea mays）是全世界重要的粮食和饲料作物。研究胚乳的发育和物质积累过程对提高玉米产量和营养品质具有关键意义。而粉质胚乳突变体是研究玉米胚乳发育过程的重要研究材料。经典粉质胚乳突变体基因相继被克隆，但籽粒储藏物质代谢积累和胚乳发育调控的分子机制并未获得全面阐释。本研究获得全新粉质胚乳突变体材料并命名为opaque18（o18）。前期通过图位克隆结合Mutator标签分离克隆O18基因。项目执行期间完成了o18突变体的表型变化分析，O18基因的表达模式分析，O18蛋白亚细胞定位与互作蛋白筛选和o18突变体相对野生型的差异表达基因分析。o18突变体淀粉含量升高，成熟期和授粉后18天未成熟时期胚乳细胞中淀粉粒均变大。O18是植物特有全组织表达基因，O18蛋白亚细胞定位呈现自噬小体与质体双定位的结果。O18酵母双杂交互作蛋白筛选结果表明O18蛋白与植物细胞自噬过程相关蛋白Joka2互作，因此O18是植物中进化出的全新选择性自噬过程相关蛋白。O18蛋白另与质体表面易位子组成蛋白Toc34互作，进而调控胚乳造粉体自噬。与野生型相比，O18过表达材料中叶绿体变小，叶绿体中淀粉粒数量下降；而o18突变体材料中叶绿体变大，叶绿体中淀粉粒数量升高、体积增大。叶片中叶绿体的变化和籽粒中淀粉粒的变化相对应共同表明O18参与质体的选择性自噬过程，影响胚乳淀粉粒大小，进而造成粉质胚乳表型。本研究揭示了O18基因在籽粒储藏物质代谢积累和粉质胚乳表型形成方面的功能和相关分子机制，为高品质玉米种质资源开发提供重要依据。