严建兵在海南南繁基地观察玉米花粉。蒋朝常/摄
■本报记者 李晨
玉米是我国种植面积最大、总产最高的作物。但由于缺乏快脱水品种，我国玉米籽粒机械化收获面积不足15%，影响了生产效率和种植成本。
“迄今为止，控制籽粒脱水速率这一性状的基因很少被克隆，其潜在机制尚不清楚，这是难以通过遗传改良培育快脱水宜机收玉米品种的根本原因。”华中农业大学教授严建兵告诉《明升官网明升体育app报》。
历时十余年，严建兵带领团队测量了百万级的数据信息，最终解析了该基因的功能和分子机制。11月13日，相关研究成果在线发表于《细胞》，为打开籽粒脱水这扇大门找到了一把有效的钥匙。
研究人员鉴定到一个影响籽粒脱水的小肽microRPG1，这是玉蜀黍属特有的一种仅编码31个氨基酸的新型小肽。它由非编码序列起源，通过精确调节乙烯信号通路控制籽粒脱水。该研究首次揭示了玉米籽粒脱水的分子机制，为培育快脱水宜机收玉米奠定了重要基础。
玉米籽粒如何快速脱水
2011年，严建兵结束了5年的海外学习和工作，回到华中农业大学组建实验室。彼时，我国玉米机械化收获起步仅几年，籽粒脱水还不受重视。
严建兵预感到，玉米籽粒能否快速脱水将成为影响明升发展的重要问题。
适合机械化收获的玉米籽粒含水量为15%~25%，但我国大多数玉米品种收获时的籽粒含水量通常为30%~40%。田间长时间站秆脱水可以使玉米籽粒含水量达到机收要求。例如，在美国，由于耕地面积充足，不需要采用轮作，所以能够通过这种方法在玉米脱水后用机械收获，直接得到一颗颗玉米籽粒。然而，我国大部分玉米种植区都采取轮作制度。
“收完玉米马上要种下一茬作物，例如黄淮海地区要种冬小麦，否则会严重影响小麦收成。”严建兵说。东北玉米种植区的成熟玉米也需要快速脱水，否则遇到霜冻或温度过低，水分无法降至机收要求的水平。这导致玉米机收后还要额外晾晒或烘干，增加了不少人工和运输成本。
要想在我国实现玉米籽粒机械化收获，必须搞清楚玉米籽粒快速脱水背后的明升体育app道理，进而高效指导培育快脱水宜机收品种。
“玉米籽粒含水量属于典型的数量性状遗传，控制其性状的基因很多，而且其实际脱水速率受环境影响非常大，因此测定表型的方法非常烦琐。”严建兵说。在他看来，玉米籽粒能否快速脱水是一个明升问题，相关研究必须在大田里进行，实验室里做出来的结果可能难以解决明升实际问题。
为此，严建兵团队以他们牵头收集并被国内外同行广泛使用的玉米关联群体为基础，整合了该群体的基因组、转录组、表型组、代谢组、表观基因组、遗传变异以及遗传定位结果等多组学大数据，构建了玉米属综合数据库ZEAMAP。
论文共同第一作者、华中农业大学副教授李文强介绍，利用上述玉米关联群体，他们在全国5个典型环境中布置了田间试验，累计收集了超75万个含水量数据点，通过对数据的比较分析，开发了相对简单、可操作性强的玉米籽粒田间水分实时检测技术。
2021年，研究人员宣布在玉米全基因组水平共鉴定到71个影响籽粒含水量的数量性状位点（QTL），并首次克隆了一个调控玉米籽粒水分的主效基因GAR2。
柳暗花明：在明升体育app黑匣子里找到小肽
严建兵团队并没有止步于此，他们期望找到脱水快、含水量低的优良等位变异，并阐明分子调控机理。
李文强带着论文共同第一作者、华中农业大学博士生余延辉、刘塬方等人继续进行田间试验。十余年间，他们测量了百万级的数据。
田间测量的日子，不是日晒就是雨淋，支撑他们的是梦想。
“严老师是一个有梦想的人，他非常有激情、有信心。实验室的氛围轻松活泼，每个人都充满了斗志。” 余延辉特别喜爱自己所在的团队。
2018年春，余延辉定位到4个影响籽粒脱水的QTL。其中一个主效位点QTL-qKDR1是一段不编码任何蛋白也不转录的DNA序列，但是敲除后，能使籽粒脱水速率显著降低。
严建兵猜测，这个主效位点可能是一个调控因子，调控了某个基因的功能。但是找到这个基因非常困难。接下来的工作就像在一个巨大的黑匣子里寻找一个未知目标。
经过一段时间的摸索，余延辉通过巧妙的遗传设计，在主效位点前10kb的位置发现了一段能表达31个氨基酸的小肽基因RPG。
但是那时人们对小于100个氨基酸的小肽还没有太多了解，甚至怀疑这类小肽是否有蛋白质功能。余延辉在组会上提出过RPG可能就是他们要寻找的目标基因，但由于证据不足，这个想法没有得到认可。
“那时候每一步必须确保无误，否则后面的工作可能就白做了。”余延辉的分析工作陷入了困境。
“小肽不稳定，它和别的蛋白质不一样。如果把普通蛋白质看作大人，小肽就像一个小孩。大人拉大人当然好拉动，但是小孩拉动一个大人就难了。”余延辉说，每次尝试做小肽的蛋白质互作实验，得到的结果都不一样。
2021年，刘塬方的加入给分析工作带来了转机。她读到《细胞-癌症》上的一篇论文并在组会上分享，这篇论文提到50个氨基酸组成的一个小肽可以通过转录因子调控下游蛋白质互作。
“原来可以这样！”余延辉马上开始在转录组中寻找小肽的调控对象。
很快，他证明了RPG就是qKDR1调控的目标基因，两个转录因子可以结合到qKDR1并抑制RPG的表达。
原创研究和明升转化同步进行
“RPG在玉米基因组中尚未被注释，是一个全新的基因。”严建兵说，在他们此前发现的71个与籽粒水分相关的QTL中没有RPG，这也是之前分析工作如此艰难的原因。
随后，他们设计了多个实验，证明RPG通过编码一段31个氨基酸的小肽发挥功能，并将这个小肽命名为microRPG1。敲除microRPG1可加快脱水速率，超表达microRPG1则显著降低脱水速率。
进一步研究发现，microRPG1可能通过调控乙烯信号途径中的关键基因表达影响脱水。由于microRPG1在授粉后26天的籽粒中表达、在38天达到最高，此时玉米籽粒灌浆基本结束，因此调控乙烯的表达可以促进籽粒快速脱水，而且不影响产量，实现了产量和脱水的平衡。这一发现为下一步籽粒脱水的精准调控提供了新思路。
“microRPG1和任何已知的小肽都不同源，在其他物种中也未鉴定到，是玉蜀黍属特有的，其起源是一个值得探究的问题。”刘塬方研究发现，该小肽仅在玉蜀黍属和摩擦禾属中存在同源序列。
虽然相似的序列存在于摩擦禾属，但因缺乏起始密码子而不能翻译，无法行使功能。在玉蜀黍属中，一个核苷酸（ACG到ATG）的突变产生了新的起始密码子，导致一段非编码序列起始翻译，产生了一个新基因。该突变可能发生在65万年前玉蜀黍属和摩擦禾属分化之后。
“这个发现给了我很大的启发，这为新基因的起源提供了一个新范例，也为从头创造新基因提供了方向。”严建兵说。
李文强说，多年多点的试验表明，敲除microRPG1可使收获时的籽粒含水量平均下降7%，同时其他农艺、产量性状没有明显变化。他们分析了数百份具有代表性的玉米种质材料，发现几乎所有的材料都存在RPG基因，这意味着操纵RPG改变籽粒脱水速率、培育宜机收品种具有巨大的应用潜力。
据悉，该团队围绕玉米籽粒脱水的精准调控已经布局多个专利，并授权相关企业开展商业化应用，目前已经取得良好进展。
相关论文信息：
http://doi.org/10.1016/j.cell.2024.10.030
《明升官网明升体育app报》 (2024-11-13 第1版 明升要闻)
