植物從營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)向生殖生長(zhǎng)的過(guò)渡，即成花轉(zhuǎn)變，是開花植物生命周期中的關(guān)鍵發(fā)育節(jié)點(diǎn)。這一過(guò)程不僅決定植物何時(shí)開花，還直接影響葉片數(shù)目、株型結(jié)構(gòu)以及最終的產(chǎn)量形成。對(duì)于玉米等重要糧食作物而言，成花轉(zhuǎn)變更是連接環(huán)境適應(yīng)性與產(chǎn)量形成的核心樞紐，其發(fā)生時(shí)間決定了作物對(duì)不同緯度、溫度和光周期條件的適應(yīng)能力。在這一過(guò)程中，一個(gè)至關(guān)重要的發(fā)育事件是莖尖分生組織（SAM）由營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)狀態(tài)向生殖生長(zhǎng)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，但這一轉(zhuǎn)變過(guò)程中細(xì)胞的重編程和時(shí)空調(diào)控機(jī)制仍缺乏系統(tǒng)性認(rèn)識(shí)。

近日，中山大學(xué)楊芳教授團(tuán)隊(duì)在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Genome Biology發(fā)表了題為“Dynamic and cell-type specific transcriptional reprogramming underlies the floral transition in the maize shoot apical meristem”的研究論文。該研究整合時(shí)序轉(zhuǎn)錄組、單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組、以及轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合圖譜多組學(xué)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)構(gòu)建了玉米成花轉(zhuǎn)變過(guò)程中SAM的時(shí)空調(diào)控圖譜，揭示了成花過(guò)程中細(xì)胞重編程的分子基礎(chǔ)。

研究首先繪制了玉米播種后14、16、18、22、26和28天（DAS）SAM轉(zhuǎn)錄組圖譜，將轉(zhuǎn)錄動(dòng)態(tài)劃分為7種模式，并發(fā)現(xiàn)染色質(zhì)重塑、環(huán)境響應(yīng)和生殖發(fā)育相關(guān)的通路在成花轉(zhuǎn)變過(guò)程中依次被激活（圖1）。基于這些分子特征，研究人員提出玉米SAM發(fā)育大致可劃分為三個(gè)階段：營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期（14天前）、轉(zhuǎn)換期（16-22天）以及轉(zhuǎn)換后期（22天后）。進(jìn)一步結(jié)合開放染色質(zhì)區(qū)，鑒定了時(shí)期特異性轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控模式，并解析了一個(gè)調(diào)控成花轉(zhuǎn)變的ZmMADS69-ZmRap2.7-ZMM4分子模塊（圖2）。

圖1 玉米莖尖分生組織成花轉(zhuǎn)變的轉(zhuǎn)錄動(dòng)態(tài)

圖 2 動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)揭示了ZmMADS69-ZmRap2.7-ZMM4調(diào)控模塊

為精細(xì)解析玉米成花轉(zhuǎn)變分子機(jī)制，研究構(gòu)建了成花轉(zhuǎn)變前、中、后莖尖分生組織的單細(xì)胞圖譜（17563細(xì)胞），鑒定了中央分生組織、側(cè)生分生組織和髓區(qū)分生組織等細(xì)胞類型（圖3）。特異性細(xì)胞轉(zhuǎn)錄動(dòng)態(tài)分析表明，成花轉(zhuǎn)變由空間分布不同的SAM功能域的分工協(xié)同作完成。進(jìn)一步發(fā)育軌跡和共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析，發(fā)現(xiàn)經(jīng)典花序發(fā)育調(diào)控因子UNBRANCHED2,3（UB2,3）在成花轉(zhuǎn)變過(guò)程中同樣具有調(diào)控功能，表明其在協(xié)調(diào)成花轉(zhuǎn)變與后續(xù)花序發(fā)育中均發(fā)揮重要作用（圖4）。

圖3 莖尖分生組織細(xì)胞類型身份鑒定

圖 4 共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析鑒定核心成花轉(zhuǎn)變調(diào)控因子

綜上所述，該研究從時(shí)間和空間兩個(gè)維度系統(tǒng)揭示了玉米成花轉(zhuǎn)變的分子調(diào)控模式，不僅加深了對(duì)植物開花調(diào)控機(jī)制的理解，也為改良玉米開花期、提高環(huán)境適應(yīng)性及產(chǎn)量潛力提供了新的基因資源和理論依據(jù)。

中山大學(xué)董亮博士、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)博士后孫永浩為論文共同第一作者，中山大學(xué)楊芳教授為通訊作者。美國(guó)冷泉港實(shí)驗(yàn)室David Jackson教授、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)田豐教授、梁亞盟博士對(duì)本研究給予了重要指導(dǎo)和支持。本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、 深圳科技計(jì)劃項(xiàng)目及美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金的資助。

https://link.springer.com/article/10.1186/s13059-026-04033-x