近日，中國科學院植物研究所王柏臣研究團隊在Plant Communications期刊上發(fā)表題為“ZmPEPCK2 enhances nutritional quality and yield potential by synchronizing carbon and nitrogen metabolism in maize kernels”的研究成果。中科院植物所已畢業(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。

研究團隊通過對456個玉米自交系進行全基因組關(guān)聯(lián)分析，并結(jié)合104個自交系的候選區(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、氨基酸含量等多個重要農(nóng)藝性狀相關(guān)。為深入探究其功能，研究團隊利用基因編輯技術(shù)敲除該基因后發(fā)現(xiàn)會導致胚胎致死，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，并構(gòu)建過表達株系，系統(tǒng)驗證了該基因的功能。結(jié)果表明，過表達PEPCK2能顯著增加穗軸長度、百粒重、籽粒產(chǎn)量及含氮量，實現(xiàn)碳氮含量同步提升；而降低其表達則出現(xiàn)相反表型。

進一步的組織表達分析顯示，PEPCK2主要在玉米穗軸、花梗和胚乳基部轉(zhuǎn)移層細胞中表達——這些部位正是光合碳氮同化物從母體“源”器官向籽?！皫臁逼鞴俎D(zhuǎn)運的關(guān)鍵門戶。為驗證其在物質(zhì)轉(zhuǎn)運中的作用，研究團隊以過表達和RNAi株系為母本，周圍種植十倍量的Mo17和B73作為父本進行隨機開放授粉。實驗結(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)運效率。

通過生物化學、代謝組學與分子生物學等多角度分析，研究團隊揭示了其作用機制：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“代謝泵”，將長途運輸至籽粒的氨基酸“拉入”三羧酸循環(huán)，進而通過糖異生途徑促進淀粉合成，同時增強了氨基酸向籽粒的轉(zhuǎn)運，最終協(xié)同提升產(chǎn)量與氮含量。

玉米PEPCK2同時提高產(chǎn)量和總蛋白量