编辑推荐：
为探究玉米种子成熟调控机制及 ABA 和 III 类 SnRK2s 的作用，研究人员测量 ABA 含量、进行多组学分析并构建突变体研究。结果表明，ABA 激活的 III 类 ZmSnRK2s 调控籽粒成熟，为培育低含水量玉米品种提供遗传资源。
在农业生产中，种子成熟是作物生长的关键阶段，它直接影响着最终的产量和品质。对于玉米这种全球重要的主食作物来说，籽粒成熟过程更是备受关注。玉米籽粒成熟时的含水量（KMC）是一个极为重要的农艺性状，高 KMC 不仅会增加机械化收割的难度、提升干燥和储存成本，还容易导致籽粒变质和穗发芽（vivipary），严重影响玉米的生产效益和质量。然而，尽管在模式植物拟南芥中，脱落酸（ABA）激活的蔗糖非发酵激酶亚家族 2（SnRK2s）调控种子成熟的机制已有所研究，但在谷类作物如玉米中，这一机制在很大程度上仍是未知的。为了深入了解玉米种子成熟的调控机制，挖掘 ABA 和 III 类 SnRK2s 在其中的作用，四川农业大学的研究人员开展了一系列深入研究，相关成果发表在《The Crop Journal》上。
研究人员采用了多种关键技术方法。在基因编辑方面，运用改良的 CRISPR/Cas9 系统构建 ZmSnRK2s 多基因敲除突变体；在基因表达分析上，进行 RNA 提取、定量实时 PCR（qRT-PCR）以及转录组测序（RNA-Seq）；在蛋白质研究领域，开展蛋白质提取、免疫印迹分析、定量蛋白质组学和磷酸化蛋白质组学研究；此外，还运用了外源 ABA 处理实验、酵母双杂交、双分子荧光互补（BiFC）、荧光素酶互补成像（LCI）等技术，从不同层面探究相关基因和蛋白的功能及相互作用。
研究结果如下：
- ABA 水平变化特征：研究人员系统测量了玉米籽粒发育过程中 ABA 的含量，发现其呈现两个明显的峰值，分别出现在发育早期和晚期。其中，第二个峰值与籽粒成熟程序的启动时间相吻合，暗示其在触发玉米籽粒成熟方面具有重要作用。通过对 ABA 生物合成相关基因和穗发芽相关基因的表达分析，结合对 vp5 突变体的研究，表明该峰值主要源于胚胎中的生物合成，且外源 ABA 处理能够加速脱水，部分挽救因内源 ABA 生物合成缺陷导致的脱水延迟表型。
- 转录组和蛋白质组分析结果：对成熟前阶段的玉米籽粒进行外源 ABA 处理，并开展转录组和蛋白质组分析。结果显示，ABA 处理显著影响了激素响应、脂质代谢等多条通路。在众多差异表达基因（DEGs）和差异丰度蛋白（DAPs）中，167 个基因在转录和蛋白质水平均显著增加，这些基因主要富集在非生物胁迫响应、ABA 响应、脂质储存和种子发育等方面，进一步证实了 ABA 在调控籽粒成熟过程中的关键作用。
- ZmSnRK2s 多基因突变体表型分析：研究人员构建了 III 类和 II 类 ZmSnRK2s 的多基因敲除突变体。结果发现，III 类 ZmSnRK2s（ZmSnRK2.8/2.9/2.10/2.12）基因敲除导致籽粒出现明显的失休眠 / 穗发芽表型，且 100 粒重降低；而 II 类 ZmSnRK2s（ZmSnRK2.1/2.2/2.3）突变体则未表现出明显缺陷。这表明 III 类 ZmSnRK2s 是玉米籽粒 ABA 信号通路的关键调节因子，对籽粒发育和休眠至关重要。
- III 类 ZmSnRK2s 对籽粒成熟干燥的调控作用：对 III 类 ZmSnRK2s 突变体的进一步研究发现，该突变体籽粒成熟延迟，含水量显著高于野生型，且对 ABA 的敏感性降低。这表明 III 类 ZmSnRK2s 基因在调控玉米籽粒成熟程序中起着不可或缺的作用，且功能冗余，它们通过 ABA 信号通路控制玉米籽粒的脱水和休眠。
- 基因表达分析揭示的调控机制：对四重突变体（zmsnrk2.8;2.9;2.10;2.12）籽粒进行 RNA-Seq 分析，发现众多差异表达基因，这些基因主要富集在光合作用、碳水化合物代谢、激素代谢、脂质储存和应激反应等过程。研究还发现，许多 VP1 依赖的基因同时受 III 类 ZmSnRK2s 调控，暗示二者在控制玉米籽粒脱水和休眠过程中存在协同作用，且可能以 ABA 依赖和非依赖的方式调控籽粒成熟相关基因的表达。
- III 类 ZmSnRK2s 底物的鉴定：通过定量磷酸化蛋白质组学分析，研究人员鉴定出 ZmSnRK2.8;2.9;2.10;2.12 突变体中众多磷酸化水平改变的蛋白质，包括多种转录因子。其中，ZmbZIP75 被确定为 III 类 ZmSnRK2s 的底物，它能与 VP1 相互作用，共同调控 ABA 响应基因的表达，在玉米籽粒成熟过程中发挥重要作用。
- ZmSnRK2.10 过表达的效果：过表达 ZmSnRK2.10 的玉米植株在籽粒发育后期表现出更快的脱水速度，在生理成熟期的 KMC 显著降低，且 100 粒重增加，植株形态未受明显影响。这表明 ZmSnRK2.10 在培育低 KMC 玉米品种方面具有巨大潜力。
研究结论和讨论部分指出，ABA 在玉米籽粒成熟过程中起着核心调控作用，其在籽粒发育后期的短暂增加，通过激活 III 类 SnRK2s，磷酸化下游的 A 类 bZIP 转录因子，进而调控与储备积累、脱水耐受和应激反应相关的基因表达，促进胚胎成熟。III 类 SnRK2s 在调控籽粒成熟方面的功能在单子叶植物和双子叶植物中具有保守性，且可能通过调节 ABA-GA 网络来控制种子休眠和萌发。此外，玉米籽粒成熟的调控机制存在组织特异性，与拟南芥有所不同。本研究不仅揭示了玉米籽粒成熟的调控机制，还为培育具有快速脱水和成熟特性的玉米品种提供了重要的遗传资源和育种策略，有助于推动现代玉米育种的发展，提高玉米的生产效率和质量，对农业生产具有重要的理论指导意义和实际应用价值。
