人才强校 | 李学贤课题组揭示玉米响应低磷新机制

本网讯 近日，Plant physiology 在线发表了资环学院李学贤课题组“ZmCCD10a encodes a distinct type of carotenoid cleavage dioxygenase and enhances plant tolerance to low phosphate”的研究论文。该论文通过进化分析发现类胡萝卜素裂解酶CCDs (carotenoid cleavage dioxygenase) 存在一个新的分支CCD10，玉米CCD10a通过改变PHR1s和磷转运蛋白的表达而调控磷向地上部的分配；另一方面，PHR1s (Phosphate starvation response regulator 1) 直接结合ZmCCD10a启动子调控玉米低磷胁迫响应。

类胡萝卜素裂解酶（CCDs）催化类胡萝卜素代谢产生脱辅基类胡萝卜素及具有重要生物学功能的衍生物，如脱落酸、独角金内酯等调控多种植物生长发育过程，具有特殊农学和生态学意义。目前，CCD基因家族如何随物种进化而演替，以及CCD10基因是否随物种进化在禾本科作物产生新的功能仍然不清楚。玉米是世界主要粮食和饲料作物之一，具有产量高、潜力大、用途广等特点。玉米苗期遭受低磷胁迫，植株矮小，CCD10在低磷条件大幅上调表达，其参与低磷响应的机制未见报道。

李学贤课题组通过进化分析发现carotenoid cleavage dioxygenase (CCD) 家族可以分为4个基部分枝，CCD10是一个新的基部分枝，其在进化过程中尤其在禾本科中经过高度动态的复制和丢失事件。在大肠杆菌系统中，ZmCCD10a能在5, 6 (5', 6')和9, 10 (9', 10')切割类胡萝卜素产生C8和C13脱辅基类胡萝卜素。ZmCCD10a定位于质体，可以切割新黄质、紫黄质、叶黄素、玉米黄质和β-类胡萝卜素，与水稻同源基因ZAS存在功能差异。通过蛋白序列比对发现，相比于ZmCCD10a，ZAS在C端发生50 bp保守碱基缺失，这一区域的丢失可能造成ZmCCD10a与ZAS功能显著差异。低磷诱导ZmCCD10a在自交系和野生玉米根系中显著上调表达。低磷条件下，ZmCCD10a沉默株系的磷更多分配到根系，降低地上部磷浓度和生物量，而ZmCCD10a拟南芥超表达株系通过优先向地上部分配磷增强其低磷耐受性。因此，ZmCCD10a编码一个新的类胡萝卜素裂解加氧酶，增强植物耐受低磷胁迫的能力。同时，ZmCCD10a沉默和过表达株系导致PHR1和磷转运蛋白协调一致的表达；体外实验证实ZmPHR1;1和ZmPHR1;2直接结合ZmCCD10a启动子，因此可能存在ZmCCD10a参与的磷分配调控网络。

该工作得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金和中德项目（DFG）资助。我院博士研究生钟妍婷和广东省农科院助理研究员潘晓英为文章共同第一作者，李学贤教授为文章通讯作者。