籽粒是玉米的主要收獲和貯藏器官，其胚乳中積累的大量淀粉是影響粒重的重要因素。因此，系統(tǒng)闡明籽粒發(fā)育的調(diào)控機制對提高玉米產(chǎn)量至關(guān)重要。然而，長期以來，鑒定到的玉米中影響籽粒大小的自然變異十分有限，且未能在育種中得到有效應(yīng)用，制約了高產(chǎn)玉米新品種的分子選育。

近日，Journal of Genetics and Genomics在線發(fā)表河南農(nóng)業(yè)大學(xué)王桂鳳教授團隊題為“Natural variation in Miniature5 determines mitochondrial nad1 splicing and seed development in maize”的研究論文。該研究鑒定到一個控制玉米籽粒大小的Miniature5(Mn5)自然變異。Mn5編碼定位于線粒體的P類PPR蛋白，該基因突變后線粒體基因剪切效率下降，導(dǎo)致線粒體結(jié)構(gòu)異常，進而影響籽粒發(fā)育和灌漿。

該研究鑒定到調(diào)控玉米籽粒大小的關(guān)鍵基因Miniature5 (Mn5)，并在玉米自然群體中篩選到該基因的錯義突變體Mn5Val109 (mn5)，該突變體籽粒變小但能正常發(fā)育結(jié)實。功能分析表明，mn5突變體中線粒體nad1內(nèi)含子1的剪切效率降低，導(dǎo)致線粒體呼吸鏈復(fù)合物I的含量與活性顯著下降，線粒體嵴結(jié)構(gòu)異常，最終導(dǎo)致氧化磷酸化呼吸途徑受阻。進一步研究發(fā)現(xiàn)，Mn5蛋白可與成熟酶ZmnMAT1、ZmnMAT3及PPR蛋白PPR-SMR1、SPR2相互作用，形成剪切復(fù)合體，特異性結(jié)合線粒體pre-nad1.1的D4結(jié)構(gòu)域，共同參與nad1基因內(nèi)含子1的反式剪接。研究還發(fā)現(xiàn)，Mn5蛋白結(jié)合位點位于此前推測的MSP1結(jié)合pre-nad1.1轉(zhuǎn)錄本3'末端的下游，該結(jié)果重新界定并修正了nad1.1前體RNA的3'末端。

mn5突變影響線粒體結(jié)構(gòu)和功能

綜上所述，Mn5基因的自然變異通過影響線粒體基因表達調(diào)控玉米籽粒大小。此前，籽粒缺陷相關(guān)基因的自然變異在玉米育種中鮮有應(yīng)用，該研究發(fā)掘出一個決定籽粒大小的自然變異，為培育高產(chǎn)玉米新品種提供了重要分子靶點。

作者簡介

河南農(nóng)業(yè)大學(xué)博士生王宇宇為該論文第一作者，王桂鳳教授和申清文副教授為共同通訊作者。相關(guān)工作得到國家自然科學(xué)基金等項目資助。