玉米钼辅因子合成基因ZmCNX6调控穗发芽和干旱耐受性的分子机制

为解决玉米穗发芽(PHS)和干旱胁迫对农业生产的严重影响，研究人员通过鉴定玉米突变体vp-like5，发现钼辅因子(MoCo)合成基因ZmCNX6通过调控醛氧化酶(AO)活性影响脱落酸(ABA)合成通路，从而协调种子休眠与干旱响应。该研究揭示了ZmCNX6作为多功能枢纽的分子机制，为作物抗逆育种提供了新靶点。

　　

在玉米、小麦等主要粮食作物的生产过程中，穗发芽（Pre-harvest sprouting, PHS）是一个令人头疼的全球性问题。这种被称为"胎萌"的现象会导致籽粒在收获前提前萌发，不仅造成产量损失，还会因淀粉、蛋白质等关键营养物质的降解而严重影响品质。更棘手的是，随着气候变化导致的极端天气频发，干旱胁迫对作物生产的威胁日益加剧。这两个看似不相关的问题，实际上都与植物激素脱落酸（ABA）的调控网络密切相关。然而，关于ABA合成通路中钼辅因子（Molybdenum cofactor, MoCo）如何整合环境信号与种子发育程序的分子机制，长期以来缺乏深入研究。

中国农业科学院的研究团队在《The Crop Journal》发表的研究中，通过正向遗传学方法鉴定出一个具有典型穗发芽表型的玉米突变体vp-like5。研究人员采用图位克隆技术结合CRISPR/Cas9基因编辑、酶活性检测、植物激素代谢组学和转录组分析等方法，系统解析了ZmCNX6基因的功能机制。

3.1 突变体鉴定与基因克隆
研究团队在筛选玉米突变体库时，发现vp-like5突变体在授粉后20-30天就出现胚轴快速伸长的胎萌现象。通过构建分离群体和BSR-seq分析，将目标基因定位到4号染色体上一个258 kb的区间。该区域内的ZmCNX6基因编码钼蝶呤合成酶小亚基，与水稻OsCNX6高度同源。测序分析表明，vp-like5突变体的启动子区域存在大片段缺失，导致ZmCNX6表达显著下调。

3.2 基因功能验证
研究人员利用基因编辑技术构建了Zmcnx6-1突变体，其表型与vp-like5完全一致。互补实验则证明，过表达ZmCNX6能挽救突变体的胎萌表型。亚细胞定位显示ZmCNX6蛋白广泛分布于细胞核、膜系统和细胞质中，与其参与多种生理过程的功能相符。

3.3 钼辅因子依赖性酶活性分析
深入研究发现，vp-like5和Zmcnx6-1突变体中，依赖MoCo的三种关键酶——醛氧化酶(AO)、黄嘌呤脱氢酶(XDH)和硝酸还原酶(NR)的活性均显著降低。其中AO是ABA合成最后一步的关键酶，其活性下降直接导致突变体ABA含量降低。而过表达ZmCNX6则能显著提升这些酶的活性。

3.4 植物激素代谢调控
代谢组分析显示，vp-like5突变体的ABA含量仅为野生型的60%，但ABA合成前体物质β-胡萝卜素、紫黄质和新黄质却异常积累。此外，生长素(IAA)糖苷结合态升高，而细胞分裂素(CK)降解产物和茉莉酸(JA)前体OPDA也显著积累。转录组数据进一步揭示，ABA和IAA信号通路相关基因如ZEP1、NCEDs和Aux/IAA家族成员表达显著上调。

3.5 干旱耐受性增强
最令人振奋的是，过表达ZmCNX6不仅能抑制穗发芽，还能提高玉米的干旱抗性。在14天干旱胁迫后，过表达株系的存活率是野生型的2倍，其叶片失水速率更低，气孔开度更小。这表明ZmCNX6通过调控ABA合成，同时协调种子休眠和干旱响应这两个重要农艺性状。

这项研究首次系统阐明了ZmCNX6在玉米中的多功能调控机制：作为MoCo合成的关键组分，它通过影响AO酶活性调控ABA合成，进而协调种子休眠与干旱应激响应。这一发现不仅丰富了植物激素调控网络的理论基础，更重要的是为作物遗传改良提供了"一箭双雕"的分子靶点——通过调控单个基因即可同步改良穗发芽抗性和干旱耐受性，这对应对气候变化下的粮食安全挑战具有重要战略意义。研究揭示的ZmCNX6-AO-ABA分子模块，为设计精准育种策略提供了新思路，也为其他禾本科作物的抗逆育种提供了重要参考。