玉米腋芽发育的分子与形态学解析：休眠、过渡与活跃状态的系统鉴定

《New Crops》：Molecular and morphological insights into axillary bud development in maize

　　

：腋芽强烈影响作物株型与产量。在玉米中，腋芽发育为果穗，直接贡献于籽粒产量。尽管玉米茎上形成多个腋芽，但通常仅上部一至两个芽发育为可收获的果穗。本研究系统表征了玉米自交系B73的腋芽发育过程。共鉴定出十个腋芽；第3至第10节位上的腋芽（AB3-AB10）出土于地上部分，主果穗发育于AB10。基于其发育特征，AB3、AB6与AB10分别被归类为休眠芽、过渡芽与活跃芽。转录组分析显示，3,481个基因在休眠芽中高表达，而2,186个基因在活跃芽中高表达。活跃芽中富集的基因主要与细胞分裂和增殖相关，而休眠芽中富集的基因则与代谢和胁迫响应相关。激素相关通路，包括吲哚-3-乙酸（indole-3-acetic acid）、赤霉素（gibberellin）、脱落酸（abscisic acid）和茉莉酸（jasmonic acid）信号通路，在休眠芽与活跃芽之间存在差异调控。激素谱分析亦揭示了三种芽状态之间的差异特征。此外，染色质可及性分析揭示了开放染色质区域和转录因子结合模式的状态相关差异。综上所述，这些发现提供了腋芽发育状态的系统分类，并表明转录、染色质可及性和激素信号随玉米腋芽发育而变化。

论文解读：玉米腋芽发育的分子与形态学系统解析

一、研究背景与科学问题

腋芽是植物地上部形态建成的关键结构，可发育为花序、分枝、分蘖和果实等与作物产量密切相关的器官。腋芽起源于叶腋中形成的腋生分生组织。起始后，腋芽可沿多条发育轨迹进行：部分迅速转向生殖生长，部分暂时停滞发育后再恢复生长，或长期保持休眠或营养状态。腋芽的命运受激素信号、营养可用性、环境线索和遗传调控网络之间的相互作用所支配。

TCP转录因子TEOSINTE BRANCHED1（TB1；双子叶植物中为BRC1）是腋芽萌发的核心调控因子，在控制分枝中具有保守作用。在玉米等单子叶植物中，ZmTB1在腋芽中高表达并抑制其萌发，从而阻止侧枝形成。此外，环境与代谢信号亦影响腋芽发育。光信号通过移动信号ELONGATED HYPOCOTYL 5（HY5）从叶片移动至腋芽促进芽萌发；碳水化合物信号亦在此过程中发挥重要作用。腋芽与茎顶端分生组织类似，含有维持腋生分生组织活性的干细胞龛，其发育可受分生组织维持相关基因的调控。

腋芽发育状态与激素调控密切相关。根据极性生长素运输假说，茎中高浓度生长素抑制腋芽的生长素外流，导致生长素在芽内积累并抑制其萌发。脱落酸（ABA）通过抑制芽生长促进休眠，休眠腋芽亦积累高水平茉莉酸（JA）。相比之下，赤霉素（GA）通常与活跃组织生长相关。TB1通过抑制GA生物合成基因AN1、GA20ox3和GA20ox5及GA信号基因GASA14来限制腋芽生长。

尽管已知腋芽发育受多重因素调控，但玉米中不同节位腋芽从休眠到活跃转变的系统性分子机制仍缺乏全面认识。本研究旨在系统解析玉米自交系B73腋芽发育的形态学动态、转录组特征、激素谱变化及染色质可及性差异，为理解腋芽命运决定提供整合框架。

二、研究内容与主要发现

研究人员以玉米自交系B73为材料，系统鉴定了地上部节位的腋芽分布，确定主果穗位于第10节。通过形态学观察和分生组织活性标记分析，将腋芽划分为休眠（AB3）、过渡（AB6）和活跃（AB10）三种发育状态。转录组分析揭示了休眠芽与活跃芽之间显著的基因表达差异，活跃芽富集细胞分裂增殖相关基因，休眠芽富集代谢与胁迫响应基因。激素定量分析显示IAA、玉米素和粟木甾酮在活跃芽中浓度最高，JA在休眠芽中最高，ABA在过渡芽中峰值最高。体外培养实验表明GA?和油菜素甾醇（BR）处理可部分克服休眠并促进分生组织增大，而JA处理导致分生组织严重坏死。ZmCLE5肽处理可促进过渡芽AB6的分生组织增大。染色质可及性分析（ATAC-seq）鉴定出与芽状态相关的差异可及区域，休眠芽富集HD-ZIP、TCP和ERF家族转录因子结合基序，活跃芽富集SBP和同源异型盒转录因子基序。转录因子足迹分析鉴定出137个主要转录因子，其中132个在休眠芽中活性更高，TB1/BRC1家族因子在休眠芽中足迹活性强，生长调控因子（GRFs）在活跃芽中活性更高。

三、关键技术与方法

本研究采用了以下主要技术方法：形态学解剖与组织透明化观察腋芽分生组织发育进程；mRNA原位杂交检测histone H4、ZmWUS1和ZmWUS2的表达模式；转录组测序（RNA-seq）分析差异基因表达；ATAC-seq分析染色质可及性；转录因子足迹分析鉴定调控因子活性；激素定量检测分析内源激素含量；体外培养体系评估外源激素和小肽对腋芽生长的效应。样本来自中国泰安田间种植的玉米自交系B73，每个生物学重复由约30株植物的腋芽混合而成。

四、研究结果详解

1. 1.
   玉米B73腋芽的形态特征与发育动态：研究人员通过解剖成熟植株，鉴定出8个地上部节位着生腋芽，从基部第3节延伸至顶部第10节（主果穗）。主腋芽经历营养分生组织（VM）、花序分生组织（IM）、小穗对分生组织（SPM）、小穗分生组织（SM）和花分生组织（FM）等发育阶段。至V12期，AB10已达FM阶段，而AB3仍处于VM阶段。腋芽从基部向上依次起始，但发育转变从顶部向下进行。
2. 2.
   玉米腋生分生组织的发育状态：通过histone H4 mRNA原位杂交检测细胞增殖活性，AB3的信号从V3到V8逐渐减弱，AB6的信号先降后升，AB10的信号持续高表达。ZmWUS1和ZmWUS2在AB10中表达最强，AB6次之，AB3最弱。据此将腋芽划分为活跃（AB10）、过渡（AB6）和休眠（AB3）三种状态。
3. 3.
   玉米腋芽的动态转录组分析：主成分分析显示AB3、AB6和AB10的基因表达谱在芽形成初期相似，随发育推进逐渐分化。共鉴定出3,481个在休眠芽中高表达基因和2,186个在活跃芽中高表达基因。活跃芽富集细胞分裂增殖、细胞活性和激素相关通路，休眠芽富集代谢、胁迫响应、运输和酶活性相关通路。激素相关通路分析显示活跃芽富集生长素激活信号和生长素外流通路，休眠芽富集JA介导信号和ABA及GA响应通路。KNOX、CLE和WOX基因家族在三种芽中呈现不同的表达动态。
4. 4.
   激素和小肽对体外培养休眠腋芽的效应：内源激素定量显示IAA、玉米素和粟木甾酮浓度在AB10最高、AB6居中、AB3最低，JA趋势相反，GA?在AB10和AB6中相似且均高于AB3，ABA在AB6中峰值最高。体外培养实验中，GA?和BR处理显著增大休眠芽分生组织，GA?处理的AB6观察到SPM形成，JA处理导致分生组织严重坏死。ZmCLE5肽处理显著增大AB6分生组织但对AB3无明显效应。
5. 5.
   休眠与活跃腋芽的染色质可及性分析：ATAC-seq鉴定出1,261个共同差异可及区域，包括749个休眠相关和512个活跃相关区域。休眠相关DARs富集HD-ZIP、TCP和ERF家族转录因子基序，活跃相关DARs富集SBP和同源异型盒转录因子基序。活跃相关DARs关联基因富集转录激活和细胞活性通路，休眠相关DARs关联基因富集光信号和生物及非生物胁迫响应通路。激素相关通路中，生长素外流、生长素激活信号和GA代谢富集于活跃相关DARs，JA和水杨酸响应及细胞分裂素失活通路富集于休眠相关DARs。转录因子足迹分析鉴定出137个主要转录因子，TB1/BRC1家族因子在休眠芽中足迹活性强，GRFs在活跃芽中活性更高，OsGRF4足迹关联靶基因富集生长素、BR和ABA信号等激素响应通路。

五、讨论与结论总结

讨论部分指出，玉米中腋芽对地上部形态建成和籽粒产量至关重要。主果穗位于第10节可能有利于资源向籽粒发育分配、减少土传胁迫或利于授粉。玉米驯化过程中TB1基因抑制分枝并塑造现代玉米株型。TCP转录因子基序富集于休眠芽可及染色质区域，与TB1及相关TCP因子维持休眠的作用一致。其他调控因子如TIN1亦参与腋芽命运决定。激素差异与TB1和TIN1介导的调控模型一致，但激素差异本身不足以完全解释腋芽向果穗的转变。GA?浓度在活跃芽和过渡芽中相似且均高于休眠芽，这可能部分解释过渡芽保留发育潜力并偶尔形成类果穗结构。降低GA浓度可增加可收获果穗数量，凸显GA信号的背景依赖性作用。染色质可及性和转录因子活性构成腋芽命运决定的额外调控层，染色质水平的调控可能协调激素信号与转录程序。

研究结论：本研究整合位置信息、激素谱、转录因子活性和染色质可及性，描述了玉米腋芽的发育分化过程。研究结果鉴定了控制植株构型的候选调控机制，可能为未来改良果穗发育和产量提供策略参考。