2019-04-10 10:10:07
2019年4月8日，The Plant Cell在線發(fā)表了中科院植物生理生態(tài)研究所巫永睿研究組題為“Maize VKS1 Regulates Mitosis and Cytokinesis during Early Endosperm Development”的研究論文。該研究首次克隆和功能解析了馬達驅(qū)動蛋白在玉米早期胚乳發(fā)育過程中的關(guān)鍵作用，揭示了早期胚乳細胞數(shù)目增殖對最終籽粒大小決定的重要分子機理。
胚乳早期發(fā)育是籽粒發(fā)育的一個重要階段，伴隨著快速而活躍的細胞分裂過程，短時間內(nèi)形成大量的胚乳細胞，是決定玉米籽粒大小和產(chǎn)量的關(guān)鍵因素。玉米籽粒發(fā)育從雙受精到成熟脫水大約需要7周，但胚乳完成細胞分裂和分化只需要8天左右，之后大部分胚乳細胞不再分裂，也就是說胚乳細胞的數(shù)目在發(fā)育早期就決定了，中后期胚乳細胞只是儲存物質(zhì)合成和增大并進行程序性死亡。驅(qū)動蛋白（Kinesin）最先是1985年從魷魚的軸質(zhì)中分離的一種馬達（Motor）蛋白，能利用ATP水解所釋放的能量驅(qū)動自身及所攜帶的貨物分子沿微管運動，在調(diào)控微管的能動性、胞內(nèi)運輸、有絲分裂以及染色體運動等方面發(fā)揮著重要功能。微管系統(tǒng)在早期胚乳發(fā)育活躍的有絲分裂和快速的細胞化過中起重要作用。
巫永睿研究組通過大規(guī)模EMS誘變，篩選到一個引人注意的一個影響籽粒發(fā)育的突變體，它不同于以往報道的是，一個純合突變體果穗上的籽粒不僅都變小，而且變小的程度不一致，表現(xiàn)出大小變異的籽粒，他們將這個突變體命名為varied kernel size 1（vks1）。玉米胚乳早期發(fā)育過程一直被認為是非常重要的一個發(fā)育階段，但由于很難通過正向遺傳學篩選到特異影響早期發(fā)育的因子以及研究方法的限制，近幾十年來早期發(fā)育的研究大多僅是細胞學形態(tài)的觀察，而機制的研究甚少。該研究發(fā)現(xiàn)Vks1在籽粒發(fā)育過程中的早期（授粉后2和3天）特異高表達，而早期正是細胞快速增殖的活躍階段，他們進一步通過免疫熒光方法觀察到馬達驅(qū)動蛋白VKS1與有絲分裂過程中的微管共定位在一起，而突變體由于缺少VKS1蛋白導致微管系統(tǒng)紊亂.一方面，在胚乳發(fā)育的起始合胞體階段游離核不能形成正常的核質(zhì)域，表現(xiàn)出緊貼著胚囊壁和聚集在一起不分散，這種狀態(tài)將嚴重影響合胞體階段游離核的遷移。另一方面，在旺盛的細胞增殖有絲分裂過程中，突變體胚乳大量出現(xiàn)有絲分裂微管形態(tài)異常細胞，紡錘體兩極不聚攏，成膜體異常、細胞板形成缺陷以及部分染色體等不能均等的分離到兩個子細胞，形成大小核和多核細胞等不正常的胚乳細胞類型。由于早期細胞分裂是一個快速而動態(tài)的過程，而每粒種子在這兩個快速連續(xù)的過程中受到的影響程度不同，缺失VKS1后，重者則籽粒大部分早期胚乳細胞都是異常的，而輕者則只有少數(shù)細胞異常，早期胚乳不同細胞數(shù)目的異常導致細胞數(shù)目減少的程度不同，最終形成變異的籽粒大小。
該研究闡明了馬達驅(qū)動蛋白在胚乳發(fā)育過程中的作用，揭示了胚乳早期發(fā)育與有絲分裂這樣一個基礎(chǔ)的細胞生物學過程的重要關(guān)系，為胚乳早期細胞數(shù)目決定最終籽粒大小提供了直接有力的證據(jù)，為將來遺傳改良提高產(chǎn)量等提供了候選基因和分子機制。
博士生黃永財和副研究員王海海為本研究論文的共同第一作者。碩博生黃興、助研王瓊、副研究員王婕琛、所級平臺李吉欽、上海交通大學王文琴副教授，安冬博士也合作參與了該項研究工作。中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心/植物生理生態(tài)研究所巫永睿研究員為通訊作者。研究工作得到了國家自然科學基金和中國科學院等項目資助。
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