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近百年來，農(nóng)業(yè)科學(xué)家觀察到一個(gè)令人困惑的現(xiàn)象：谷物的產(chǎn)量越高，其蛋白質(zhì)含量往往就越低。這并非偶然，而是一個(gè)被稱為“產(chǎn)量-蛋白質(zhì)權(quán)衡”的普遍規(guī)律。其背后的核心機(jī)制，在于光合產(chǎn)物在籽粒中的分配與積累存在內(nèi)在的競(jìng)爭關(guān)系——碳同化物(如淀粉)與氮同化物(如蛋白質(zhì))在能量和物質(zhì)分配上相互制約，形成此消彼長的生理格局。如何打破這一僵局，在保障高產(chǎn)的同時(shí)維持甚至提升營養(yǎng)品質(zhì)，已成為育種學(xué)家與農(nóng)業(yè)科學(xué)家持續(xù)探索的重要課題。

近日，中國科學(xué)院植物研究所王柏臣研究團(tuán)隊(duì)在該領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)通過對(duì)456個(gè)玉米自交系進(jìn)行全基因組關(guān)聯(lián)分析，并結(jié)合104個(gè)自交系的候選區(qū)段關(guān)聯(lián)分析，初步確定磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶(PEPCK2)與玉米產(chǎn)量、穗軸長度、氨基酸含量等多個(gè)重要農(nóng)藝性狀相關(guān)。為深入探究其功能，研究團(tuán)隊(duì)利用基因編輯技術(shù)敲除該基因后發(fā)現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致胚胎致死，說明該基因?qū)τ衩装l(fā)育至關(guān)重要。隨后，研究人員通過RNA干擾技術(shù)降低其表達(dá)，并構(gòu)建過表達(dá)株系，系統(tǒng)驗(yàn)證了該基因的功能。結(jié)果表明，過表達(dá)PEPCK2能顯著增加穗軸長度、百粒重、籽粒產(chǎn)量及含氮量，實(shí)現(xiàn)碳氮含量同步提升;而降低其表達(dá)則出現(xiàn)相反表型。

進(jìn)一步的組織表達(dá)分析顯示，PEPCK2主要在玉米穗軸、花梗和胚乳基部轉(zhuǎn)移層細(xì)胞中表達(dá)——這些部位正是光合碳氮同化物從母體“源”器官向籽粒“庫”器官轉(zhuǎn)運(yùn)的關(guān)鍵門戶。為驗(yàn)證其在物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)中的作用，研究團(tuán)隊(duì)以過表達(dá)和RNAi株系為母本，周圍種植十倍量的Mo17和B73作為父本進(jìn)行隨機(jī)開放授粉。實(shí)驗(yàn)結(jié)果明確顯示，PEPCK2直接調(diào)控碳氮同化物從源器官向籽粒等庫器官的轉(zhuǎn)運(yùn)效率。

通過生物化學(xué)、代謝組學(xué)與分子生物學(xué)等多角度分析，研究團(tuán)隊(duì)揭示了其作用機(jī)制：PEPCK2通過催化磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)生成草酰乙酸(OAA)，從而連接三羧酸循環(huán)與糖異生途徑。該酶如同一個(gè)“代謝泵”，將長途運(yùn)輸至籽粒的氨基酸“拉入”三羧酸循環(huán)，進(jìn)而通過糖異生途徑促進(jìn)淀粉合成，同時(shí)增強(qiáng)了氨基酸向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)，最終協(xié)同提升產(chǎn)量與氮含量。

該研究成果于近日發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊Plant Communications上。植物所已畢業(yè)博士研究生楊秀、副研究員晁青和已畢業(yè)博士研究生高志方為論文共同第一作者，王柏臣研究員為通訊作者。研究還得到植物所楊文強(qiáng)研究員、田利金研究員，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)楊曉紅教授、王良省教授，吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院李曉輝研究員以及內(nèi)蒙古民族大學(xué)葛選良副教授的支持。該工作獲得中國科學(xué)院先導(dǎo)專項(xiàng)和國家自然科學(xué)基金的資助。

玉米PEPCK2同時(shí)提高產(chǎn)量和總蛋白量