玉米籽粒碳氮平衡调控新机制

氮素(N)是植物生长发育需求量最大的矿质营养元素, 也是促进作物增产的关键因素之一。玉米是重要的粮饲作物和生物能源作物, 对我国的粮食安全具有重要战略作用，其产量和品质对氮肥施用量依赖度极高。农民为保证玉米产量通常施用大量的氮肥但是玉米的品质却得不到保证，另外氮肥过度施加, 不仅增加生产成本, 造成资源浪费, 还引发水体富营养化和土壤酸化等环境问题。因此, 为了农业的绿色发展, 研究玉碳氮平衡的机制并挖掘其中重要的调控基因,有助于实现玉米生产过程中减肥不减产的目标。

该研究发现氮的限制影响了玉米胚乳发育过程中氮和碳（C）代谢的许多关键基因的表达。该研究发现缺氮显著影响玉米籽粒淀粉和蛋白含量，及籽粒氮和碳（C）代谢途径中许多关键基因的表达。这些碳氮代谢差异表达基因的启动子区域富含P-box序列。P-box基序是玉米胚乳特异表达转录因子PBF1的结合motif序列，说明PBF1可能与这些关键基因差异表达有关联。该基因功能缺失后改变了胚乳中淀粉和蛋白质的积累，说明PBF1参与籽粒碳氮代谢。基于正常氮和缺氮环境下授粉15天后玉米胚乳的qRT-PCR、Western Blot以及RNA in situ hybridization检测，发现PBF1在不同氮素环境下表达水平和表达部位没有差异。有意思的是PBF1在不同氮素环境下结合的靶标基因不同，特别是与碳氮化合物的合成和积累有关的基因。在缺氮环境时，一部分玉米醇溶蛋白编码基因的启动子并没有被PBF1结合，与之对应的是这些醇溶蛋白编码基因的转录本水平降低，表明PBF1促进玉米蛋白在胚乳中的积累。同时，在缺氮环境下未被PBF1结合sugary1和淀粉分支酶2b基因的转录水平显著上调。研究还发现PBF1抑制sugary1和淀粉分支酶2b的表达。结果表明：氮缺乏情况下，PBF1将用于合成玉米醇溶蛋白的C骨架更多的流向碳水化合物的形成。该研究结果为玉米生产中的实现减肥不减产提供了一种理论依据。