植物核雄性不育（GMS）突变体是研究花药和花粉发育的理想材料和杂种优势利用的重要资源，目前已定位和克隆的植物GMS基因超过100个。然而，在植物花药发育过程中，花药四层壁细胞中能量和物质（如ATP、糖、脂和蛋白质）的产生、贮存、运输和利用规律，及其与雄性器官发育的关系，目前知之甚少。此外，已在许多植物（如百合、大麦、水稻和玉米等）花药内皮层中观察到叶绿体，但花药叶绿体是否具有类似于植物营养器官（如叶片）中叶绿体的功能，以及与花药发育和花粉形成过程是否有密切关系，尚未见报道。

2020年9月19日，北京中智生物农业国际研究院万向元教授团队于Molecular Plant在线发表了题为 “Normal Structure and Function of Endothecium Chloroplasts Maintained by ZmMs33-mediated Lipid Biosynthesis in Tapetal Cells Are Critical for Anther Development in Maize” 的研究论文。

发现了花药内皮层叶绿体在花药发育早期（S10之前）具有淀粉周转能力，在S10及之后时期具有光合作用能力（图1和图2），对花药发育和花粉形成至关重要；并进一步解析了玉米花药内皮层叶绿体与绒毡层之间可能的协作模式：即绒毡层中的脂代谢及其产物促进内皮层叶绿体膜的形成，确保叶绿体的正常结构与功能；内皮层叶绿体中的淀粉周转和糖代谢及其产物，促进花药绒毡层（特别是在晚上或黑暗条件）的发育；内皮层叶绿体和绒毡层二者共同协作，为成熟花粉粒的最终形成提供脂类和糖类物质及能量。

图1. 玉米花药内皮层叶绿体在花药发育早期（S10之前）具有淀粉周转能力

  图2. 玉米花药内皮层叶绿体在花药发育后期（S10及之后）直接参与光合作用

本文综合利用细胞学、生物化学、生理学、分子生物学、转录组学和靶向代谢组学等技术手段，以玉米雄性不育突变体ms33-6038为材料，深入研究了花药内皮层叶绿体功能及其与玉米育性的关系，解析了ZmMs33/ZmGPAT6基因影响玉米花药发育的作用机制。在野生型植株中，玉米花药叶绿体几乎全部存在于内皮层细胞中，通过花药发育早期（S10之前）的淀粉周转功能（即白天合成并储存淀粉粒，晚上降解叶绿体中的淀粉粒），为花药发育提供能量和碳源（图1）；在花药发育晚期（S10及之后），内皮层叶绿体直接参与光合作用，其光合能力与玉米叶片相当（图2），因此花药内皮层叶绿体通过两种不同的作用方式，为整个花药发育和花粉形成持续提供能量和碳源。

ZmMs33/ZmGPAT6基因主要在花药发育早期（S5-S6）的绒毡层细胞中表达，编码一个甘油-3-磷酸酰基转移酶，其是叶绿体内膜和类囊体膜上主要脂成分生物合成途径中最上游的一个关键酶。ZmMs33/ZmGPAT6基因的功能缺失影响花药叶绿体膜脂成分合成，导致花药内皮层叶绿体结构异常且丧失了淀粉周转和光合作用功能（图1和图2），从而阻断了花药发育所需能量和碳源的主要供给途径；花药的这种物质和能量“饥饿”状态激活了植物“能量感受器”和“自噬诱导因子”SnRK1蛋白复合体及伴侣调节分子bZIP转录因子，随之花药绒毡层细胞发生过早及严重的PCD和细胞自噬，花药内部发生能量和物质代谢重排，进入一个低能量和低物质的新稳态，阻止了突变体ms33-6038花药的正常生长和发育，最终导致玉米雄性不育（图3）。

图3.  ZmMs33/ZmGPAT6 基因功能缺失导致玉米花药发育异常和雄性不育的分子机理

本文研究了花药发育过程中叶绿体功能和物质能量代谢规律，是花药叶绿体功能研究领域的重要突破，在“植物花药四层壁细胞协同互作促进花粉形成”研究领域迈出了重要一步，为植物雄性发育研究开拓了一个新视角。本文是万向元教授团队在玉米ZmMs33基因图位克隆和功能验证（Xie et al., THEOR APPL GENET, 2018, 131(6):1363-1378）及玉米GPAT基因家族全基因组分析和ZmMs33基因育种应用（Zhu et al., THEOR APPL GENET, 2019, 132(7):2137-2154）的基础上，对ZmMs33基因功能机制进行系统深入解析取得的又一重要研究成果。

本研究主要依托北京科技大学生物与农业研究中心、化生学院、融创院，北京中智生物农业国际研究院等单位完成，博士研究生朱涛涛、李紫文讲师、安学丽教授和龙艳研究员为该论文共同第一作者，万向元教授为通讯作者。此外，中国农业科学院薛晓峰研究员和中国农业大学金危危教授分别参与了代谢物成分分析和基因表达原位杂交分析等工作。该研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、国家转基因重大专项、中央高校基本科研业务费、国家“万人计划”人才项目和北京市科技计划项目等联合资助。

Taotao Zhu, Ziwen Li, Xueli An, Yan Long, Xiaofeng Xue, Ke Xie, Biao Ma, Danfeng Zhang, Yijian Guan, Canfang Niu, Zhenying Dong, Quancan Hou, Lina Zhao, Suowei Wu, Jinping Li, Weiwei Jin, Xiangyuan Wan*. Normal Structure and Function of Endothecium Chloroplasts Maintained by ZmMs33-mediated Lipid Biosynthesis in Tapetal Cells Are Critical for Anther Development in Maize.