河南農業大學農學院科研團隊揭示維生素B2（核黃素）整合胞內能量和細胞周期調控玉米籽粒發育的分子機制

近日，河南農業大學農學院玉米籽粒儲藏物質積累與發育團隊在玉米胚乳遺傳發育方面取得新進展。該研究圖位克隆到一個調控玉米籽粒儲藏物質積累和胚發育的重要基因ZmRIBA1，揭示了維生素B2通過協同線粒體能量代謝和細胞周期調控玉米胚乳發育的分子機制，為玉米產量品質的遺傳改良提供了重要的理論基礎。

籽粒是光合產物積累的重要儲存器官，直接決定了作物的產量和品質。籽粒灌漿是玉米等禾本科作物生產的重要限制因子，伴隨著劇烈的細胞能量代謝過程。維生素B2，即核黃素，是諸多細胞代謝反應輔助因子（FMN和FAD）的合成前體，是人體和動物所必需的基礎性營養物質。與動物不同，植物、細菌和真菌可以通過進化上保守的途徑從頭合成核黃素。然而，核黃素調控植物生長發育（特別是作物籽粒灌漿）的機制還不清楚。課題組鑒定了一個新的玉米粉質胚乳突變體，命名為opaque18；該突變體賴氨酸含量增加76.4%，但百粒重和淀粉含量降低且胚胎致死。通過圖位克隆、等位突變測試和功能回補證明ZmRIBA1是導致o18突變表型的目的基因。O18基因編碼具有DHBPS和GCHⅡ活性的雙功能酶，起始核黃素生物合成途徑。

研究發現，o18籽粒維生素B2、FMN和FAD的含量均急劇降低；O18 功能喪失特異性地降低線粒體復合物I和II的豐度和功能以及 SDH1黃素化水平；o18胚乳細胞線粒體結構和功能異常導致有氧呼吸的三羧酸 （TCA） 循環受阻、但無氧糖酵解代償路徑增強。

進一步發現，胞內能量缺乏導致胚乳細胞的有絲分裂和核內復制周期停滯在G1/S期。令人意外的是，細胞周期相關基因在o18中急劇誘導表達，并且其上調表達與組蛋白H3K4me3修飾增加直接相關。這表明細胞在不利條件下可能存在調控細胞周期進程的H3K4me介導的表觀遺傳備份機制。

綜上，本研究揭示了質體合成營養物質維生素B2、線粒體能量代謝和細胞核DNA復制三者相互聯系、協同適應的分子機制。

該研究成果以題為“Riboflavin integrates cellular energetics and cell cycle to regulate maize seed development”的研究論文在線發表在國際期刊《Plant Biotechnology Journal》（2021年影響因子9.803）上。河南農業大學博士生田秋珍為該論文第一作者；河南農業大學王桂鳳為通訊作者。同時，河南農業大學湯繼華教授、楊青華教授、付志遠教授和上海交通大學王剛副教授等參與了該工作。本研究主要依托河南農業大學、上海大學、神農實驗室等單位完成。該研究獲得國家自然科學基金、國家重點研發計劃專項等聯合資助。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.13826