我院周顺利课题组在“谷物籽粒发育生理调控机制”方向取得新进展

近日，国际著名学术期刊Trends in Plant Science在线发表我院周顺利团队题为《赢者通吃：谷物籽粒对同化物的竞争决定其发育命运》(“Winners Take All: Competition for Carbon Resource Determines Grain Fate”)的观点论文。论文针对谷物果穗籽粒选择性败育的普遍现象，提出了授粉时间差对果穗糖分分配和籽粒选择性败育的决定作用。

图1 论文信息

谷物果穗顶部或基部籽粒往往易于发生败育（如玉米果穗“秃尖”），这种籽粒选择性败育的现象在不同谷物中是保守的，其严重限制了穗粒数和产量潜力。目前，对籽粒选择性败育的生理调控机制认识仍相对匮乏。

在果穗籽粒命运决定的关键时期（花期），植株的光合生产能力最强，而穗部对光合同化物的需求最小，说明籽粒选择性败育很可能决定于“库”端的主动调控（图1 A、B）。对植株而言，通过主动牺牲部分籽粒以保全剩余籽粒正常发育、成熟从而繁衍。

图2.谷物果穗籽粒选择性败育的现象及其发生时期

对单个籽粒而言，光合同化物主要以蔗糖的形式以共质体途径运输到位于玉米小穗柄或小麦/水稻籽粒腹面的维管束。随后，必须经过质外体途径才可以由母体卸载至籽粒胚乳（图2A）。该区域的细胞膜上富集多种糖转运蛋白和蔗糖代谢酶，在调控籽粒发育中的发挥了关键作用，如SUT（OsSUT1、HvSUT1/2、ZmSUT1）、MST/STP（ZmSWEET4c、SUGCAR1）、SWEETs（OsSWEET11/15、ZmSWEET11、SUGCAR1）和CWIN（ZmMn1）（图2B），这些关键因子受到发育信号和环境信号的调控（图2C）。

图3. 籽粒糖分卸载必须经过质外体途径，由一系列糖转运蛋白及酸性转化酶协作完成

在果穗上，由于不同位置子房授粉-受精的先后次序不同，先受精籽粒的同化物卸载过程先被激活，从而优先摄取同化物，奠定其在果穗籽粒竞争中的优势；而未/晚受精子房/小花糖分摄取被抑制，从而在与其它籽粒竞争中处于劣势，导致其生长发育受限（图3）。但是目前并不清楚晚受精子房/小花被抑制是受其自身调节，还是被早受精子房/小花释放的“死亡信号”所抑制。因此，对于籽粒间竞争导致的选择性败育是“自杀”或“手足相争”仍值得深入研究。该论文通过提出果穗籽粒选择性败育的潜在调控机制，为提升谷物穗粒数和增加产量提供了新的思路。

图4. 果穗籽粒授粉时间差决定了不同位置籽粒的糖分摄取能力及发育命运

我院申思副教授、周顺利教授、园艺学院马斯讲师、澳大利亚CSIRO的Wu Limin研究员、澳大利亚国立大学Ruan Yong-Ling教授完成该研究工作，我院王志敏教授、王璞教授、张英华教授为研究提出宝贵建议。该研究得到国家自然科学基金、国家现代农业产业技术体系、澳大利亚研究理事会基金等项目资助。周顺利教授课题组近些年围绕玉米籽粒发育（败育）调控机制取得了一系列进展，相关研究成果先后发表在Trends in Plant Science、The Plant Journal、Plant Cell and Environment、Journal of Experimental Botany等学术期刊上。

论文信息：https://doi.org/10.1016/j.tplants.2023.03.015

文字：申思

信息来源：Trends in Plant Science

编辑：关健

审核：董朝斌