人類通過涂抹“防曬霜”防紫外線，你聽說過玉米也有自己的“防曬霜”嗎？

近日，深圳大學(xué)生命與海洋科學(xué)學(xué)院院長、特聘教授劉宏濤團(tuán)隊(duì)在《自然·通訊》發(fā)表研究論文，首次揭開了這一秘密：玉米體內(nèi)的藍(lán)光受體ZmCRY1s能感知藍(lán)光信號(hào)，通過直接結(jié)合蠟質(zhì)合成相關(guān)的BAHD家族?；D(zhuǎn)移酶GLOSSY2，進(jìn)而調(diào)整表皮蠟質(zhì)“配方”與合成量，大幅提升玉米抗紫外能力。

該成果不僅解析了植物抗逆的新機(jī)制，更蘊(yùn)含多重創(chuàng)新突破，為培育更耐曬的高光效玉米品種提供了關(guān)鍵靶點(diǎn)。劉宏濤教授團(tuán)隊(duì)還與中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心張鵬研究員合作解析了ZmCRY1s-GLOSSY2蛋白復(fù)合體結(jié)構(gòu)，近期發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展》，為光信號(hào)傳遞的分子基礎(chǔ)提供直接證據(jù)。

藍(lán)光受體：玉米的“防曬指揮家”

玉米是全球產(chǎn)量最高的糧食作物，它喜歡陽光，但也怕太曬。田間強(qiáng)烈陽光中的紫外線，尤其是UV-B，會(huì)損傷葉片光合系統(tǒng)、損傷DNA、造成ROS脅迫、降低產(chǎn)量。

不過，玉米有自己的“防曬霜”——葉片表面的表皮蠟質(zhì)層，能反射、吸收大部分紫外線。這層“防曬霜”的成分和厚度受光照調(diào)控，但光調(diào)表皮蠟質(zhì)的機(jī)制還是未解之謎。

正常玉米遇藍(lán)光，中胚軸（種子發(fā)芽時(shí)在土壤中伸長的部分，見光后伸長被抑制）會(huì)縮短，表皮蠟質(zhì)增厚同時(shí)伴隨成分變化。玉米感知藍(lán)光的“眼睛”中包含3個(gè)ZmCRY1（ZmCRY1a、ZmCRY1b、ZmCRY1c）和1個(gè)ZmCRY2。團(tuán)隊(duì)通過基因編輯構(gòu)建“CRY全部失效”的玉米突變體（cry-q），再對比正常玉米和“視力更好的”CRY超表達(dá)玉米發(fā)現(xiàn)，正常玉米遇藍(lán)光中胚軸會(huì)縮短、增厚表皮蠟質(zhì)；而隨著藍(lán)光“視覺”能力的下降，cry-q材料不僅對藍(lán)光不靈敏，也極怕紫外線；CRY超表達(dá)玉米則獲得更強(qiáng)的“防曬力”。

更關(guān)鍵的是，藍(lán)光會(huì)讓玉米蠟質(zhì)中C32醛大量增加，C32醛是玉米蠟質(zhì)組分走向成熟的一個(gè)關(guān)鍵中間產(chǎn)物，且其積累依賴ZmCRY1s的“指揮”，突變體即便是見了藍(lán)光也很難合成C32醛。

A、CRYs的進(jìn)化樹分析；B、ZmCRY1c-PHR的結(jié)構(gòu)；C、ZmCRYs共同參與藍(lán)光信號(hào)的光形態(tài)建成

分子搭檔：藍(lán)光下的“蛋白協(xié)作”

ZmCRY1s如何“指揮”C32醛生成呢？研究團(tuán)隊(duì)找到了其“合作伙伴”——GLOSSY2（GL2）蛋白。

GL2本是合成蠟質(zhì)原料（超長鏈脂肪酸）的關(guān)鍵蛋白，黑暗中會(huì)與KCS6蛋白合作，合成超長鏈脂肪酸；而藍(lán)光激活ZmCRY1s后，會(huì)與KCS6競爭（二者在GL2上的結(jié)合界面重疊度達(dá)78%），“搶過”GL2形成新搭檔，轉(zhuǎn)而合成C32醛，讓蠟質(zhì)“配方”升級、防曬力倍增。

為看清這一過程，團(tuán)隊(duì)還聯(lián)合張鵬研究員團(tuán)隊(duì)解析了ZmCRY1s與GL2結(jié)合的2.8?三維結(jié)構(gòu)，如同拍下“蛋白手拉手”的高清照，證實(shí)了藍(lán)光對二者協(xié)作的關(guān)鍵作用，更揭示了競爭性結(jié)合的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

A、ZmCRY1c-GL2結(jié)構(gòu)解析；B、ZmCRY1c與KCS6競爭性結(jié)合GL2的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)（二者在GL2上的結(jié)合界面重疊度達(dá)78%）；C、ZmCRY有助于抵抗紫外線對光合系統(tǒng)的損傷；D、ZmCRYs提高玉米的紫外抗性；E、ZmCRYs調(diào)控蠟質(zhì)合成、提高玉米紫外抗性的機(jī)制

開辟全新視角

劉宏濤教授團(tuán)隊(duì)長期聚焦“光調(diào)控植物發(fā)育及環(huán)境適應(yīng)機(jī)制”，此次成果進(jìn)一步拓展了植物光信號(hào)調(diào)控的研究領(lǐng)域，也為深圳大學(xué)的農(nóng)業(yè)生物技術(shù)研究再添新彩。

這項(xiàng)研究實(shí)現(xiàn)了三重突破，為作物抗逆研究與實(shí)踐開辟了全新視角。

突破傳統(tǒng)調(diào)控范式。首次發(fā)現(xiàn)植物光受體可直接結(jié)合代謝酶調(diào)控代謝過程，打破了光信號(hào)通過基因表達(dá)調(diào)控代謝的經(jīng)典框架，ZmCRY1s無需依賴轉(zhuǎn)錄環(huán)節(jié)，直接與GL2互作切換代謝流向，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)到代謝反應(yīng)的快速、精準(zhǔn)傳遞，為理解植物環(huán)境適應(yīng)的高效調(diào)控機(jī)制提供了全新范式。這也帶來新的啟發(fā)，即人和動(dòng)物中可能存在類似的光直接調(diào)控代謝的機(jī)制。

破解領(lǐng)域核心謎題。明確ZmCRY1s-GL2直接互作介導(dǎo)C32醛積累的分子機(jī)制，為植物超長鏈脂肪醛合成這一長期未決的研究難題提供了關(guān)鍵分子線索。

賦能作物抗逆育種。揭示的ZmCRY1s-GL2調(diào)控模塊，為改良玉米等作物的UV-B耐受性提供精準(zhǔn)靶點(diǎn)，為高溫、高光、強(qiáng)紫外輻射地區(qū)培育穩(wěn)定高產(chǎn)品種提供技術(shù)支撐，有效應(yīng)對全球氣候變化帶來的農(nóng)業(yè)挑戰(zhàn)。

編輯｜李紫來審核｜趙允

來源｜科技日報(bào)作者｜羅云鵬、趙志偉