花粉外壁（pollen exine）是主要由孢粉素（sporopollenin）组成的复杂脂质层，在保护雄配子正常发育以免受外界环境影响、保护花粉-柱头互作以完成双受精等多个生物过程中起到重要作用。孢粉素的合成需要大量脂代谢基因共同参与，同时为了能在短时间内快速合成大量孢粉素，位于同一代谢通路的脂代谢相关蛋白可能以代谢区室（metabolon）的形式发挥作用。目前，与拟南芥和水稻相比，克隆的玉米脂代谢核雄性不育（GMS）基因相对较少，同时玉米脂类GMS基因编码的蛋白能否形成metabolon从而控制花粉外壁形成还尚未报道。

2023年10月4日，北京科技大学生物农业研究院、伊犁师范大学生物育种产业研究院、北京中智生物农业国际研究院万向元团队在 Plant Biotechnology Journal （IF: 13.8）上在线发表了题为 CRISPR/Cas9-based genome editing of 14 lipid metabolic genes reveals a sporopollenin metabolon ZmPKSB-ZmTKPR1-1/-2 required for pollen exine formation in maize 的研究论文。该研究利用CRISPR/Cas9基因编辑技术，批量化编辑突变14个玉米花药特异表达的基因，从而鉴定出两个玉米脂类GMS新基因 ZmTKPR1-1 和 ZmTKPR1-2 ；通过蛋白结构预测、分子对接、定点突变和生化分析等技术手段，在玉米花药中首次发现了控制花粉外壁形成的ZmPKSB-ZmTKPR1-1/-2孢粉素代谢区室；并进一步解析了该代谢区室的调控通路和分子机制，为玉米花粉外壁孢粉素合成提供了新见解。

该团队基于CRISPR/Cas9介导的基因编辑技术，对14个在玉米花粉外壁形成关键阶段（S8-S10时期）具有表达峰值的脂类基因进行定点突变，发现 ZmTKPR1-1 和 ZmTKPR1-2 为玉米GMS新基因。两个基因单突变时仅造成轻微花粉败育，但其双突变体（ tkpr1-1/-2 ）则表现为完全雄性不育（图1a），且花粉外壁发育缺陷，因此， ZmTKPR1-1 和 ZmTKPR1-2 在雄花发育方面存在功能冗余，基因编辑技术突破了正向遗传学难以发掘此类功能冗余基因的局限性。ZmTKPR1-1和ZmTKPR1-2均编码四酮α-吡喃酮还原酶，首次被发现在内质网和细胞核中双定位（图1b）；保守的催化位点（S128/130、Y164/166和K168/170）对其酶活性必不可少。qPCR和生化实验表明转录因子ZmMYB84直接激活 ZmTKPR1-1 和 ZmTKPR1-2 表达（图1c-e）。

图1. 转录因子ZmMYB84直接激活 ZmTKPR1-1 和 ZmTKPR1 的表达且其编码的蛋白双定位于内质网和细胞核

已有研究表明参与脂类合成途径的蛋白质，容易形成动态的蛋白复合体：即代谢区室（metabolon），从而高效地进行顺序酶活反应（Nakamura, 2017）。鉴于团队前期克隆的 ZmPKSB 基因（Liu et al，2022）与 ZmTKPR1-1 / -2 在花药发育过程中呈现相似的表达模式，其编码蛋白同样定位于内质网，且 pksb 突变体花粉外壁也明显变薄，并基于蛋白分子互作模拟分析，最终推测它们可能会以蛋白复合体形式在孢粉素合成中发挥作用。进一步采用蛋白结构预测、分子对接、定点突变、体内体外生化分析等多种方法证明：上述3个蛋白彼此之间均可以产生互作并形成多酶复合物（图2a, b），且以丙二酰辅酶A和中链脂肪酰辅酶为底物，进行高效地顺序酶促反应以生成还原型四酮α-吡喃酮（图2d）。由此，我们发现了首个存在于玉米花药中的孢粉素代谢区室：即ZmPKSB-ZmTKPR1-1/-2。此外，还发现对于ZmPKSB-ZmTKPR1-2和ZmTKPR1-1-ZmTKPR1-2蛋白互作，分别有7个和4个氨基酸对接位点是必不可少的（图2c）。

图2. ZmPKSB、ZmTKPR1-1和 ZmTKPR1-1-2相互作用形成孢粉素代谢区室

研究还发现，尽管ZmPKSB和ZmTKPR1-1/-2三者能形成孢粉素代谢区室，但它们突变后对花粉外壁和花药角质层造成的影响却不完全一致，如 tkpr1-1/-2 花粉外壁明显薄于 pksb 突变体； tkpr1-1/-2 花药外壁光滑，而 pksb 花药角质层则更加致密（图3a-b）；相类似，在 pksb 和 tkpr1-1/-2 突变体花药中，孢粉素、角质和蜡质相关基因的表达量以及角质、蜡质总含量和主要单体含量等也呈现明显差异（图3c），表明了植物花粉外壁形成过程中脂代谢途径的复杂性。据此，提出了转录因子ZmMYB84驱动的ZmPKSB-ZmTKPR1-1/-2 孢粉素代谢区室调控玉米花药和花粉发育的工作模型（图3d），为研究植物脂类基因参与孢粉素、角质和蜡质合成与运输提供了新思路。

图3. ZmMYB84驱动的ZmPKSB-ZmTKPR1-1/-2 孢粉素代谢区室控制玉米花药和花粉发育的工作模型

北京科技大学生物农业研究院、伊犁师范大学生物育种产业研究院等单位安学丽教授、博士生张少伟和江易林为该论文共同第一作者，万向元教授为通讯作者。该研究得到了“十四五”国家重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费、北京市现代农业产业技术体系岗位科学家等项目的资助。感谢中国农业科学院蜜蜂研究所薛晓峰研究员在脂代谢产物测定工作上给予的帮助。

参考文献：

1. Liu, X., Jiang, Y., Wu, S., Wang, J., Fang, C., Zhang, S., Xie, R., et al. (2022) The ZmMYB84- ZmPKSB  regulatory module controls male fertility through modulating anther cuticle-pollen exine trade-off in maize anthers.  Plant Biotechnol J , 20, 2342-2356.

2. Nakamura, Y. (2017) Plant Phospholipid Diversity: Emerging Functions in Metabolism and Protein-Lipid Interactions.  Trends Plant Sci , 22, 1027-1040.

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/pbi.14181

通讯作者简介：万向元，北京科技大学生物农业研究院院长、二级教授、博导，教育部长江学者特聘教授，国家“万人计划”领军人才，北京市特聘专家，“十四五”国家重点研发专项项目首席科学家。主要从事玉米雄性不育、绿色高效生物育种与遗传基础研究；已在 PNAS 、 Mol Plant 、 Nat Com、Cell Res、  PBJ、JAR、  JCLP 等国内外期刊发表论文137篇；参与出版教材和专著5部；授权发明专利33项；以第一完成人获北京市技术发明奖一等奖、中国专利银奖、“科创中国”先导技术等省部级科研和论文奖14项。兼任中国作物学会常务理事、中国生物工程学会常务理事、《 Crop Journal 》副主编等。