玉米籽粒总生育酚水平取决于胚胎内叶绿素的生物合成

为探究玉米籽粒生育酚合成机制，研究人员对 POR1 和 POR2 基因开展研究，发现其依赖胚胎内叶绿素合成，对玉米育种意义重大。

　　# 玉米籽粒生育酚合成机制新发现：叶绿素合成是关键
在我们的日常饮食中，玉米是常见的粮食作物。然而，你可能不知道，玉米中的营养成分对于人体健康有着重要意义。维生素 E 作为一种人体必需的营养物质，对维持身体健康起着关键作用。但在一些以玉米为主要热量来源的国家，人们却面临着维生素 E 摄入不足的问题。这是因为玉米籽粒中维生素 E 的主要形式 —— 生育酚（Tocopherol）的合成机制一直以来都不明确。

生育酚是一类脂溶性化合物，在植物中具有多种功能，并且具有维生素 E 活性。在植物界，生育酚的生物合成途径是保守的，但关键前体植醇（Phytol）的来源却一直是个谜。此前研究发现，两个原叶绿素酸酯还原酶（POR1 和 POR2）是控制玉米籽粒总生育酚自然变异的位点，它们是叶绿素生物合成的关键基因，可叶绿素生物合成途径对生育酚生物合成的贡献却不清楚。为了解开这些谜团，来自美国康奈尔大学、密歇根州立大学等机构的研究人员展开了深入研究，相关成果发表在《BMC Plant Biology》杂志上。

研究人员采用了两种主要的技术方法来进行此项研究。一是生理实验，对发育中的玉米粒进行光照和黑暗处理，改变 POR1 和 POR2 在体内的活性，之后对胚胎组织中的代谢物进行分析，并对胚胎样本进行 RNA 测序；二是利用 CRISPR/Cas9 基因编辑技术构建 POR1 和 POR2 基因敲除突变体，对突变体植株的胚胎、胚乳和成熟籽粒样本进行代谢物分析，还对双敲除突变体胚胎进行 RT-qPCR 和 RNA 测序分析。

生育酚合成具有光依赖性

研究人员通过对玉米 NAM（Nested Association Mapping）群体的多个创始系进行光照和黑暗处理，探究叶绿素合成与生育酚水平的关系。结果发现，黑暗处理显著降低了成熟籽粒中总生育酚的含量，相比光照处理样本平均降低 82%，相比对照样本平均降低 78%。在 24 天授粉（DAP）的胚胎中，黑暗处理使叶绿素 a 和生育酚的含量分别平均降低 96% 和 88%，且叶绿素 a 与总生育酚浓度之间存在强正相关（r = 0.6） 。不过，生育三烯酚和类胡萝卜素的含量在不同处理间没有呈现出一致的显著差异，这表明处理效果对生育酚合成具有特异性。

POR1 和 POR2 RNA 水平不受光照影响

研究人员对 7 个 NAM 创始系 24 DAP 胚胎进行 RNA 测序，分析相关基因表达。结果显示，基因表达的变化主要取决于基因型，而非处理方式。编码 POR/LIL3/CHS/GGR 复合物活性的基因在不同处理间没有差异表达，只有两个基因在特定基因型的一个处理对（黑暗与对照）中差异表达。这说明光照导致的叶绿素和生育酚变化并非由 125 个先验基因的表达变化引起。

成功构建 por1/por2 基因敲除突变体

研究人员利用 CRISPR/Cas9 技术构建了 POR1 和 POR2 基因敲除突变体。在筛选出合适的转基因 - free 突变体后，对其后代进行分析。结果发现，por1 por2 双敲除纯合突变体（por1/por1;por2/por2）表现出严重的表型，叶片发黄、植株矮小。单突变体和单等位基因双突变体的表型与野生型相似，这表明 POR1 和 POR2 在叶片中功能互补，且对玉米叶片叶绿素含量存在剂量效应。

por1/por2 突变体的代谢物分析

对不同基因型成熟籽粒的代谢物分析发现，单突变体的生育酚、生育三烯酚和类胡萝卜素水平与野生型相似；单等位基因双突变体的生育酚水平有所降低，同时生育三烯酚和类胡萝卜素水平有所变化；双敲除纯合突变体的生育酚水平大幅降低，相比野生型减少约 93%，但生育三烯酚和类胡萝卜素水平与野生型无明显差异。对 24 DAP 胚胎和胚乳组织的分析显示，双敲除突变体胚胎的总生育酚水平降低约 76 - 83%，叶绿素 a 降低超过 98%，总生育三烯酚水平增加约 60 - 64%，而胚乳组织的代谢物水平在各基因型间保持一致。这表明玉米籽粒中生育酚水平取决于胚胎的基因型。

综合上述研究，研究人员得出结论：玉米成熟籽粒中约 93% 的总生育酚依赖于胚胎组织中叶绿素衍生的植醇。这一发现明确了叶绿素生物合成对玉米胚胎中生育酚合成的贡献，表明 POR1 和 POR2 是提高玉米总生育酚含量的主要育种靶点。通过选择优良的 POR1 和 POR2 等位基因，结合其他控制生育酚类型积累的位点（如 VTE3 和 VTE4），有望优化玉米籽粒的营养成分，提高生育酚含量和维生素 E 活性，这对于农业生产和人类健康都具有重要意义。