玉米茎秆弯曲基因STB1通过细胞壁与生长素途径调控植株构型

《Advanced Biotechnology》：Maize STEM BENDING1 controls plant architecture through cell wall and auxin pathways

　　

作物产量在很大程度上取决于植株构型。鉴定控制玉米株型的关键基因有助于优化株型以适应高密度种植。本研究鉴定了一个玉米显性茎秆弯曲突变体Stb1（stem bending 1），该突变体表现出茎秆弯曲和叶片卷曲，导致植株呈倾斜构型。遗传定位将Stb1限定于1号染色体上3.7 Mb的区间内。转录组分析表明，Stb1突变损害了与细胞壁组分和环境刺激相关的分子通路。与此一致的是，Stb1茎秆凸侧与凹侧的木质素和半纤维素含量存在差异。此外，茎向重力性调控因子LAZY1（LA1）的转录本和内源生长素水平在Stb1茎秆两侧呈现差异积累。本研究揭示STB1通过细胞壁和生长素相关通路维持茎秆直立生长，为优化玉米地上部株型提供了新的靶标。

一、研究背景与科学问题

玉米（Zea mays L.）是全球最重要的谷类作物之一，是人类食物和动物饲料的主要来源，在保障粮食安全中发挥着关键作用。在高密度种植模式下，追求更高产量往往伴随着茎秆变细、变高，茎秆倒伏（stalk lodging）已成为制约玉米可持续生产的重大威胁。提高茎秆机械强度不仅能有效防止倒伏造成的产量损失，还能增强玉米对高密度种植的耐受性。茎秆机械弯曲强度主要由细胞壁结构组分（包括纤维素和木质素）以及茎秆空间形态（如茎粗、秆皮厚度）决定。

近年来，研究者已鉴定出多个调控玉米茎秆机械刚度和抗倒伏能力的关键基因。例如，F-box结构域蛋白STIFF1通过激活NAC-MYB表达，增加茎秆厚壁组织细胞中纤维素和木质素的积累；抗倒伏主效QTL stiff2对应开花期基因ZmCCT，通过间接调控茎秆伸长、增粗和木质素生物合成相关下游基因显著增强茎秆弯曲强度；III类过氧化物酶基因ZmPRX38在苯丙烷途径下游催化单木质醇氧化，其优良单倍型显著提高茎秆机械强度和产量表现。此外，茎秆弯曲还与茎向重力性密切相关。LAZY1（LA1）作为水稻、玉米和拟南芥中茎向重力性的保守主调控因子，通过生长素信号和梯度调控控制分蘖/茎秆直立构型。然而，尽管细胞壁刚性在茎秆抗倒伏中的作用已有报道，其分子基础仍不清楚。鉴定调控茎秆生长的新遗传位点将拓展对茎秆强度机制的理解，并为提高作物抗倒伏能力提供新靶标。

二、研究内容与主要结论

研究人员鉴定了一个自然玉米突变体Stem bending 1（Stb1），其在花后转变期表现出明显的茎秆弯曲、株高降低和叶片卷曲。研究结果表明，Stb1位点与茎秆细胞壁结构改变和生长素不对称分布相关，为倾斜植株构型的遗传基础提供了新见解。

三、主要关键技术方法

研究人员构建了Stb1（B104背景）与自交系KN5585杂交的F₂作图群体（n=245），利用卡方检验验证遗传分离比；采用集群分离RNA-seq（BSR-seq）结合DeepBSA算法进行初定位，利用12个多态性InDel和KASP标记在1号染色体252.8–289.2 Mb区间内进行精细定位；对约30日龄幼苗的第3至第4节间进行转录组测序（RNA-seq），使用DESeq2鉴定差异表达基因（DEGs），并利用TBtools进行GO富集分析；通过RT-qPCR验证ZmLA1相对表达量；采用组织学观察（甲苯胺蓝O染色）、透射电子显微镜（TEM）测定次生细胞壁厚度，并定量测定半纤维素和木质素含量。

四、研究结果

（1）Stb1突变体的表型与细胞学特征

从B104自交系中分离的自然突变体Stb1在花后转变期表现出明显的茎秆弯曲（约42°，野生型约10°）和叶片卷曲。Stb1植株因节间缩短而株高和穗位高降低，但节间数目不变。茎秆细胞学分析显示，Stb1凹侧和凸侧细胞均显著小于野生型，但两侧细胞大小相当；凸侧单位面积细胞数显著高于凹侧，表明凸侧加速的细胞分裂可能驱动差异生长和随后的茎秆弯曲。此外，Stb1突变体果穗变小，穗长减少约32%，每行粒数（KNPR）减少约20%；穗上叶片更短更宽，长度减少约9.67%，宽度增加约9.28%；叶背气孔密度显著增加。

（2）Stb1位点的遗传定位与候选基因

F₂群体以3:1（Stb1:野生型）比例分离，表明茎秆弯曲表型由单个显性位点控制。BSR-seq将Stb1初定位至1号染色体约37 Mb区域，精细定位将其缩小至7.3 Mb区间，进一步利用InDel标记将候选区域缩小至3.7 Mb区间（Chr1: 263.8–267.5 Mb），包含69个注释基因。其中3个基因在Stb1茎秆转录组中差异表达，编码磷酸甘油酸变位酶的Zm00001d033543在公共RNA-seq数据集中呈高茎秆表达，被确定为首要候选基因。

（3）Stb1下游细胞壁通路改变

对拔节期茎秆进行转录组分析（|Log₂FC|>1，FDR≤0.05），在凹侧鉴定出463个DEGs（162个上调、301个下调），凸侧鉴定出1,029个DEGs（619个上调、410个下调），凹侧与凸侧之间鉴定出840个DEGs。GO分析显示环境刺激响应、细胞分化和细胞壁代谢/生物合成显著富集。8个细胞壁相关基因在Stb1茎秆中下调，包括5个木聚糖转移酶、1个纤维素合酶和2个木质素聚合相关基因。生化定量显示，半纤维素含量总体升高，凹侧显著高于凸侧；凸侧木质素含量显著高于野生型。透射电镜观察显示Stb1次生细胞壁显著厚于野生型。这些细胞壁组分和结构的不对称改变破坏了组织力学平衡，驱动了茎秆弯曲表型。

（4）Stb1与ZmLA1及生长素不对称分布

转录组分析发现茎向重力性经典调控因子LAZY1（LA1）在Stb1茎秆中上调。RT-qPCR证实ZmLA1转录本在凹侧显著高于凸侧。内源生长素（IAA）定量显示，Stb1茎秆凸侧IAA水平显著高于凹侧和分离的野生型。茎秆偏好的生长素响应基因SAUR71（Zm00001d026308）在Stb1中上调，且在凸侧诱导更为显著。这些结果表明Stb1通过调节ZmLA1表达和茎秆两侧适当的生长素梯度来维持直立茎秆生长。

五、讨论与结论

茎秆倒伏是高密度栽培下玉米可持续生产的主要制约因素。Stb1突变体表现出茎秆弯曲、株高降低（节间缩短）和果穗变小等多效表型。驱动Stb1茎秆弯曲的不对称力学特性可能源于细胞壁组分失衡：半纤维素通常通过与纤维素微纤丝交联提供结构柔韧性，而木质素作为疏水性填充物使细胞壁基质硬化，限制细胞扩张和柔韧性。凹侧半纤维素含量显著升高而凸侧木质素含量升高，这种不平衡的组分可能改变茎秆两侧的局部弹性特性，进而导致弯曲。该现象与拟南芥中果胶甲酯酶抑制剂过表达导致茎秆扭曲、水稻FLEXIBLE CULM 1（FC1）编码肉桂醇脱氢酶（CAD）功能缺失导致茎秆柔韧弯曲等报道一致。

生长素不对称分布是器官响应环境刺激发生弯曲的前提，该过程依赖于LAZY基因介导的生长素极性运输（PAT）。Stb1凹侧ZmLA1的局部上调可能损害侧向或基向PAT，导致凸侧生长素过度积累并促成弯曲表型。细胞壁完整性信号与生长素已被证明在调控不对称生长中相互作用，研究人员提出在Stb1中，细胞壁来源的力学线索和生长素依赖的生长信号可能协同影响茎秆两侧的差异生长。

尽管Stb1位点已被成功限定至含69个注释基因的3.7 Mb候选区间，但鉴定确切的功能候选基因是下一步工作的首要任务。在分离出因果基因后，将进一步研究STB1的直接调控通路。尽管如此，本研究确立STB1是玉米直立茎秆生长和地上部构型的重要调控因子，阐明STB1介导的细胞壁特性与机械强度协调机制，为选育抗倒伏优良玉米种质提供了有价值的见解。