糖代谢在植物雄性生殖发育中起着重要作用。在植物中，糖类包括蔗糖、葡萄糖、果糖、海藻糖及其衍生物，如胼胝质、纤维素、半纤维素、果胶、淀粉等，是植物细胞的基本能量来源和结构成分。高温、低温、干旱等非生物逆境往往导致作物糖代谢紊乱、花粉活力下降，从而造成大幅度减产。在花药和花粉发育过程中糖代谢基因的功能缺陷，往往导致细胞核雄性不育（GMS）。因此，解析糖代谢参与植物花粉发育和雄性不育的分子机制，具有重要理论意义和应用价值。

2021年8月26日，北京科技大学万向元教授团队在The Crop Journal在线发表了题为“The Essential Roles of Sugar Metabolism for Pollen Development and Male Fertility in Plants”的综述文章，系统总结了糖代谢GMS基因在植物花粉形成与育性发育中的关键作用和分子调控网络，结合生物信息学和花药RNA-seq数据进行了玉米糖代谢GMS候选基因的预测，讨论了糖代谢GMS基因在作物杂交育种和制种中的潜在应用价值和和未来研究方向。

该综述的主要内容包括：（1）概述了62个植物中已克隆报道的糖代谢GMS基因，系统总结了其在植物花粉形成与育性发育中的重要作用，包括在花粉母细胞胼胝质壁和初生外壁形成、花粉内壁发育、花粉成熟和淀粉积累、花药开裂、花粉萌发和花粉管生长等方面的最新研究进展（图1）；（2）综述了糖代谢GMS基因的转录调控、转录后调控和其它调控模式，在现有的植物糖代谢GMS基因的研究基础上，提出了一个糖代谢GMS基因影响植物花粉形成与育性发育的分子调控网络（图2）；（3）基于4组玉米花药转录组数据，利用生物信息学和RNA-seq分析，预测了112个玉米糖代谢相关的GMS候选基因（图3），为利用基因编辑技术快速鉴定玉米糖代谢相关不育基因、深入解析糖代谢参与玉米雄性发育的分子机制提供参考；（4）总结和展望了糖代谢GMS基因在作物育种和杂交制种中的潜在应用价值和策略。本文将有助于解析糖代谢控制植物花粉发育和雄性不育的分子机制，同时为开展作物糖代谢相关新型不育技术系统的分子设计育种研究提供参考依据。

图1. 糖代谢相关雄性不育基因及其在植物花粉发育中的作用

图2. 植物花药和花粉发育过程中糖代谢及其相关基因的分子调控网络

图3. 利用生物信息学和RNA-seq分析预测了71个玉米糖代谢GMS候选基因

作者和基金项目

北京科技大学博士研究生柳双双为论文第一作者，万向元教授和吴锁伟教授为共同通讯作者，李紫文博士参与了该工作的数据分析工作。研究得到国家重点研发计划（2018YFD0100806, 2017YFD0101201和2017YFD0102001）、国家自然科学基金（31871702, 31971958和31771875）、中央高校基本科研业务费（06500136）和北京市科技计划（Z191100004019005）等项目的共同资助。