植物细胞伸长取决于有条不紊的的基因调控、充足的营养供应和及时的细胞壁修饰。花药发育与花粉形成是开花植物有性生殖的重要环节，花药大小与花粉粒的数量和活力具有相关性，但迄今对植物花药细胞伸长的分子机制和作用模式还少见报道。

2022年8月25日，北京科技大学、北京中智生物农业国际研究院万向元教授团队在The Crop Journal上在线发表了题为“ZmMs33 promotes anther elongation via modulating cell elongation regulators, metabolic homeostasis, and cell wall remodeling in maize”的研究论文。该文通过细胞学、生理生化、脂质组、比较转录组和分子生物学等研究手段，发现玉米ZmMs33基因功能缺失突变体（ms33-6038）花药中，细胞伸长正调控基因的转录水平显著高于野生型，但未能促进ms33-6038玉米花药伸长；ms33-6038突变体花药内皮层叶绿体光合作用和花药绒毡层脂质积累异常，打破了花药细胞的代谢稳态；ZmMs33基因功能缺失导致花药中间层细胞出现异位、过早和过度的次生细胞壁增厚，限制细胞伸长，且阻碍花药壁不同细胞层间营养物质运输；在六个代表性玉米雄性不育系中，只有ms33-6038突变体花药中与代谢稳态相关的众多基因在转录和翻译后水平上发生显著变化。总之，代谢紊乱和营养流动受阻造成的营养物质匮乏（可概括为“空”），抑制了被激活的细胞伸长正调控基因（可概括为“转”）促进花药伸长，最终导致ms33-6038突变体在花药伸长和生长上表现出独特的“空转效应”（“idling effect”）。

首先，该研究针对ZmMs33基因功能缺失雄性不育突变体（ms33-6038）表现出的花药伸长停滞在S8b-S9时期的表型（图1A和B），通过逐日测量野生型和突变体花药长度以及细胞学观察，发现ms33-6038花药表面细胞数目和细胞大小分别在S8b时期和S10时期之后显著低于野生型（图1C和D）。转录组和qPCR分析发现，70个调控细胞伸长的基因中，正调控基因在ms33-6038花药中倾向于上调表达（图2A），而负调控基因倾向于下调表达（图2B），理应促进ms33-6038花药伸长，但是突变体表型正好相反。差异表达基因的代谢途径富集分析表明，光合作用、糖酵解、脂肪酸合成、蛋白质代谢和细胞壁物质合成等途径的基因，在ms33-6038花药中发生广泛且显著的表达变化（图2C），导致ms33-6038花药物质积累能力大幅下降（图2D）。细胞学观察、脂染色、定向脂质组实验和代谢途径基因表达分析证实，ms33-6038花药内层细胞叶绿体光合作用以及绒毡层细胞脂质积累和转运能力显著下降，接近丧失。因此，ZmMs33基因功能缺失导致的代谢重排从根本上阻碍了花药伸长，使细胞伸长调控基因在转录水平上的显著上调对花药伸长的促进作用失效。

图1：ms33-6038突变导致花药伸长在S8b-S9时期被迫停滞

图2：ms33-6038花药中细胞伸长基因被激活但代谢紊乱阻止细胞伸长和花药生长

然后，针对差异表达基因也富集于细胞壁物质合成等途径，通过细胞学观察、对细胞壁木质素合成、转运和调控等途径的基因进行表达分析，发现ms33-6038花药中间层细胞至少在S7时期开始发生次生细胞壁加厚，且加厚程度随花药发育愈发严重（图3A和B）。鉴于细胞壁结构对植物细胞生长和细胞间物质运输的重要性，推断ms33-6038花药中间层细胞异位、过早和严重的次生加厚不仅可在结构上阻碍细胞的膨大和伸长，并且可通过阻碍花药壁内皮层和绒毡层细胞间糖类和脂类的运输供给（图3C），加重饥饿胁迫、代谢重排和细胞自噬，最终阻碍花药细胞伸长和过早的凋亡。

图3：ms33-6038花药壁中间层细胞异常加厚阻止了四层壁的物质转运和供给

最后，针对雄性不育突变体普遍表现为花药长度短于野生型的现象，通过与玉米中已有的5个细胞核雄性不育系（ocl4、ms23、mac1、ms30-6028和p5126-ZmMs7）花药多个发育时期转录组数据比较分析，发现涉及代谢重排、细胞自噬和饥饿应答等过程的340个基因只在ms33-6038花药中表现出广泛的表达水平显著变化，且细胞中关键的能量感受因子SnRK1只在ms33-6038花药中发生蛋白磷酸化激活，表明ZmMs33基因通过调控物质代谢稳态影响花药伸长的功能特异性。另外，本研究通过实验证明ZmMs33基因表达受转录因子ZmOCL4直接调控，很好的解释了ms33-6038和ocl4突变体花药转录组在上述340个基因差异表达的较高相似性。

本研究发掘出ms33-6038突变体是研究花药伸长机制的一个重要材料，发现ZmMs33基因功能缺失导致花药中间层次生细胞壁加厚的特殊表型，揭示了ms33-6038突变体通过代谢重排、细胞壁重塑和细胞伸长调控因子等综合作用下的“空转效应”现象，初步构建了影响花药生长和细胞伸长的作用模式（图4），丰富了对植物花药发育和生长过程的认识，为解析植物雄性发育的研究思路提供参考。

图4：ZmMs33基因突变导致的细胞伸长和花药生长的“空转效应”机理

此文也是北京科技大学万向元团队研究玉米ZmMs33/ZmGPAT6基因功能机理的第五篇论文，前四篇分别发表在Theor. Appl. Genet. 2018, 131, 1363-1378；Theor. Appl. Genet. 2019, 132, 2137-2154；Mol. Plant 2020, 13, 1624-1643（封面文章）；Cells, 2022, 11, 2318。

作者和基金项目

北京科技大学生物与农业研究中心青年教师李紫文博士、博士后朱涛涛和博士生柳双双为该文的共同第一作者，万向元教授为该文的通讯作者。该研究得到“十四五”国家重点研发计划项目（2021YFF1000302）、中央高校基本科研业务费（06500136）和北科大青年教师学科交叉研究项目（FRF-IDRY-20-038）的支持。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cj.2022.08.002

参考文献：

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