（来源：植物学人）玉米 (Zea mays L.) 作为我国最主要的粮食作物之一，是国内种植最广、产量最高的农作物。尽管如此，随着我国玉米消费水平的逐年升高，仍需依赖进口解决，玉米供需缺口日益增大。因此，提高玉米单产迫在眉睫。我国约20%的玉米种植区为丘陵山地，存在温度低、海拔高、干旱等不利于玉米生长的外界条件。在这些地区，适当提高玉米的播种深度具有保湿、保温、防虫害等作用，是提高种子芽率的有效措施。但是，提高播种深度会带来幼苗出土困难的问题，最终导致玉米出苗率下降。已有研究显示，玉米幼苗顶土出苗的动力源主要来源于中胚轴和胚芽鞘的伸长。故而，中胚轴的长度是决定玉米耐深播能力的重要性状。因此，挖掘调控玉米中胚轴的功能基因及优良功能变异，解析玉米中胚轴伸长的遗传和分子机制是培育耐深播玉米、提高玉米产量、保障我国粮食安全的有效途径。

玉米中胚轴指的是芽鞘结与根结之间的部位。玉米中胚轴长度随播种深度的增加而增加。在来源丰富的玉米遗传群体中，中胚轴长度存在广泛的遗传变异，挖掘调控玉米中胚轴伸长的有益自然变异，可以为耐深播玉米品种培育提供理论基础、遗传材料和分子标记。早期研究显示，玉米中胚轴的伸长受到数量遗传位点 (QTL) 控制。近年来，已有一些研究对调控玉米中胚轴伸长的QTL进行定位，期望能够解析玉米中胚轴伸长的遗传机制。迄今为止，研究者一共定位到26个调控中胚轴伸长的QTL。但是，这些研究都处于初级定位阶段，未见相关QTL克隆的报道。因此，调控玉米中胚轴伸长的遗传机制依然有待完善。

2025年3月12日，华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室代明球教授团队在Science Bulletin上以短通讯的形式，在线发表了题为“Natural variations in ZmCCT2 regulate maize mesocotyl elongation and higher altitude adaptation”的研究论文。作者成功定位并分离了一个关键功能基因ZmCCT2，它在正向调控玉米中胚轴伸长和海拔适应性中起重要作用。

为了了解玉米中胚轴伸长的遗传调控机制，作者研究了一个自然变异群体的玉米中胚轴长度，该群体由来自全球各地364个不同的自交系组成，这些自交系表现出广泛的遗传多样性（图1a，图S1a-c，表S1）。随后，作者使用之前发布的556,944个单核苷酸多态性（SNPs）进行了全基因组关联研究（GWAS），这些SNPs的次要等位基因频率不低于0.05（图1b，图S1d）。作者发现了8个与中胚轴长度显著相关的SNPs（P < 1×10^-5），主要位于第2、5、7号染色体上，并涉及5个基因（表S2）。四个最显著的SNPs，SNP1833（P=4.78×10^-7）、SNP1838（P=4.78×10^-7）、SNP1852（P=8.29×10^-7）和SNP1853（P=2.21×10^-6），位于第2号染色体上的222,380 kb至222,402 kb区域（图1c）。该区域有两个注释基因，Zm00001d007107和Zm00001d007106（图S2a）。逆转录（RT）-PCR和3’快速扩增cDNA末端（RACE）实验表明，这四个最显著的SNPs位于Zm00001d007107的3’UTR区域，而不是在Zm00001d007106中（图S2b-d）。Zm00001d007107（ZmCCT2）编码一个属于CCT蛋白COL亚家族的转录因子（图S3a，b）。CCT(CO, CO-LIKE, and TIMING OF CAB1)是一类含有CCT结构域的转录因子蛋白。在玉米基因组中(V4版)存在55个ZmCCT编码基因，这些基因根据结构域可分为四个亚家族：COL、CMF、PRR、TIFY。 ZmCCT2专门定位于细胞核，并具有转录激活活性（图S3c-f）。ZmCCT2的转录水平和蛋白质水平都受到光的调控。从黑暗过渡到光照时，ZmCCT2的转录水平和蛋白质水平都显著下调（图S4a，b）。

为了探究ZmCCT2在玉米中胚轴发育中的作用，作者构建了ZmCCT2过表达（OE）和CRISPR介导的敲除（Zmcct2）玉米株系（图S5a-c），并评估了它们的中胚轴长度。结果显示，与阴性对照相比，ZmCCT2-OE株系的中胚轴长度和中胚轴细胞长度更长，而Zmcct2株系的中胚轴长度和中胚轴细胞长度则更短（图1d-k）。这些结果表明，ZmCCT2通过促进细胞伸长来推动玉米幼苗中胚轴的发育。ZmPIF3.1、PIF3.2、PIF4.1和PIF4.2是在黑暗条件下正向调控玉米中胚轴伸长的关键调控因子。我们的研究发现，ZmCCT2的过表达增强了ZmPIF3.1、PIF3.2、PIF4.1和PIF4.2的转录，而这些基因的转录水平在Zmcct2突变株系中显著降低（图1l）。此外，与阴性对照植株相比，与细胞伸长相关的基因如ZmEXPA4、ZmEXPB1、ZmPEXP9和ZmEXPB10在Zmcct2突变株系中表现出下调，而在ZmCCT2-OE株系中则上调（图1l）。通过双荧光素酶报告系统分析进一步验证了ZmCCT2对这些基因表达的促进作用（图S6）。EMSA实验表明，ZmCCT2结合到ZmEXPA4启动子中的E-box位点（CAATTG），从而激活ZmEXPA4的表达（图1m，图S6）。值得注意的是，作者在ZmCCT2的启动子上发现了一个E-box位点，EMSA实验证实了ZmCCT2与该位点的结合能力（图1n）。通过LUC双荧光素酶报告系统的进一步分析证实，ZmCCT2可以增强由其自身启动子驱动的LUC表达，暗示了ZmCCT2的自我转录激活能力（图1n，图S6）。

基因表达也可以在翻译水平上进行调控。在拟南芥中，APUM5（Arabidopsis PUM5）识别许多mRNA的3’UTR区域中的“UGUA”核心元件，并抑制它们的翻译。在该研究中，作者在ZmCCT2的3’UTR区域发现了两个RNA结合蛋白APUM5的保守结合位点“UGUA”。随后，作者在玉米基因组中鉴定了APUM5的两个同源基因，ZPUM5A（Zm00001d031529）和ZPUM5B（Zm00001d049761）（图S7）。电泳迁移率变动实验（EMSA）表明，ZPUM5蛋白直接结合含有“UGUA”元件的RNA探针，但不结合突变的探针（图1o）。在玉米原生质体中，ZPUM5A或B与LUC-ZmCCT2 3’UTR共表达显著抑制了报告基因LUC的活性，表明ZPUM5能够结合ZmCCT2的3’UTR并抑制其蛋白质翻译（图1p）。为了探究ZPUM5是否影响玉米中胚轴伸长，作者从玉米EMS突变体库中订购了ZPUM5的功能缺失突变体zpum5a和zpum5b（图S8a）。Western blot实验显示，与野生型B73玉米植株相比，zpum5a和zpum5b突变体中ZmCCT2蛋白的积累量更高，而RT-PCR显示ZmCCT2 mRNA水平与野生型相似，进一步证实了ZPUM5对ZmCCT2蛋白翻译的抑制作用（图S8b, c）。作者在黑暗条件下研究了zpum5a和zpum5b的中胚轴表型，发现zpum5a和zpum5b突变体的中胚轴和中胚轴细胞均显著长于野生型B73玉米幼苗（图1q-t）。与背景植株B73相比，zpum5a和zpum5b突变体中ZmPIF3.1、ZmPIF3.2、ZmPIF4.1、ZmPIF4.2、ZmEXPA4、ZmEXPB1、ZmEXPB9和ZmEXPB10的转录水平显著上调，与ZmCCT2-OE株系中这些基因的上调趋势相似（图S9a, b）。综上所述，这些结果表明，ZPUM5A和ZPUM5B通过抑制ZmCCT2蛋白翻译，在调控玉米中胚轴伸长中发挥负向作用。

图1. ZmCCT2在玉米中胚轴伸长调控中的作用及其机制

为了探索调控玉米中胚轴伸长的自然变异，作者根据四个最显著的SNPs（SNP1852、SNP1853、SNP1833和SNP1838）将自然变异群体中的329个玉米自交系分为两种单倍型组（ZmCCT2^TypeA和ZmCCT2^TypeB），其中ZmCCT2^TypeA与较长的中胚轴显著相关，而ZmCCT2TypeB与较短的中胚轴显著相关（图2a, b，图S10）。通过分析之前发表的玉米自交系籽粒转录组数据，作者发现ZmCCT2^TypeA植株中ZmCCT2的表达显著高于ZmCCT2^TypeB植株（图2c）。同样，在正常浇水和干旱条件下的叶片中，ZmCCT2^TypeA植株的ZmCCT2表达也显著高于ZmCCT2^TypeB植株（图2d, e）。这些数据再次表明ZmCCT2的表达与中胚轴伸长呈正相关，与ZmCCT2转基因实验的结果一致（图1d-g）。在两个F₂群体和一个BC₃F₂群体中研究中胚轴长度发现，ZmCCT2^TypeA纯合植株的中胚轴长度显著长于ZmCCT2^TypeB纯合植株（图2f-h）。这些数据共同证明，ZmCCT2^TypeA在促进玉米中胚轴伸长中具有积极作用。

玉米起源于墨西哥，并在哥伦布发现美洲大陆之前的时期传播到美洲不同纬度和海拔的地区。已有报道称，CCT家族基因ZmCCT9和ZmCCT10能够增强玉米对高纬度地区的适应性和开花时间的适应性，但关于玉米对海拔适应性的基因仍不明确。为了确定ZmCCT2^TypeA和ZmCCT2^TypeB是否对玉米的纬度或海拔适应性有贡献，作者对来自美洲的1008个地方品种进行了ZmCCT2^TypeA和ZmCCT2^TypeB的基因分型。结果显示，ZmCCT2的两种基因型分布在美洲的各个地区（图2i）。作者发现，ZmCCT2的两种单倍型在海拔分布上存在显著差异（图2i, j）。与较长中胚轴相关的ZmCCT2^TypeA在高海拔地区更为普遍，而与较短中胚轴相关的ZmCCT2^TypeB在低海拔地区更为普遍（图2i, j）。然而，在ZmCCT2^TypeA或ZmCCT2^TypeB分布的地区之间，纬度差异并不显著（图S11）。这些结果表明，中胚轴长度是玉米适应高海拔地区的关键性状，而ZmCCT2的自然变异在玉米对海拔的适应性中起着关键作用。在高海拔地区，增加播种深度有助于保持种子的水分和温度，并避免动物捕食，从而提高种子发芽率。此外，深播有助于从深层土壤中高效吸收养分和水分。在高海拔地区，土壤条件可能多变且资源有限，拥有较长的中胚轴对幼苗获取生长和发育所需的必要资源具有优势。然而，深播需要较长的中胚轴以确保幼苗的成功出土。因此，在高海拔地区选择能够促进中胚轴伸长的ZmCCT2^TypeA是合理的。

图2. ZmCCT2^TypeA单倍型有助于中胚轴伸长和高海拔适应性

综上所述，作者成功定位并分离了一个关键功能基因ZmCCT2，它在正向调控玉米中胚轴伸长和海拔适应性中起重要作用。值得注意的是，作者揭示了一个新的分子模块ZPUM5-ZmCCT2-ZmEXPs/ZmPIFs，通过该模块，玉米幼苗协调中胚轴的伸长。此外，作者阐明了ZmCCT2^TypeA单倍型对玉米中胚轴伸长及高海拔适应性具有积极影响。值得注意的是，ZmCCT2的两种单倍型在其他17个农艺性状上几乎没有显著差异（图S12），且中胚轴长度与这17个农艺性状的相关性非常弱（表S3），这暗示了ZmCCT2^TypeA在玉米耐深播育种中的潜在应用价值。作者的研究深入探讨了驱动玉米中胚轴伸长的遗传机制，为培育耐深播玉米品种提供了新的遗传资源和分子标记。

华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室代明球教授为文章通讯作者，张卉和吴锦峰为文章共同一作。

植物学人链接：https://mp.weixin.qq.com/s/8mkNmzpQx4AnCpsiIipq7w

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.scib.2025.03.027