禾谷类作物糊粉层和淀粉胚乳分化的遗传调控网络

 

　　 禾谷类作物的胚乳是人类粮食和动物饲料的最主要来源，同时也为工业产品提供了大量原材料。其胚乳是由一个精子与两个中央核经双受精融合后发育形成的三倍体组织，发育过程经历游离核时期、细胞化时期、糊粉层-淀粉胚乳分化时期、贮藏物质累积时期和成熟时期。禾谷类作物胚乳的内部淀粉胚乳主要累积碳水化合物，而外部糊粉层主要累积蛋白质、脂肪酸、维生素、膳食纤维和铁、锌等微量元素。由于禾谷类作物胚乳发育和营养物质累积与粮食的产量和品质直接相关，因此其分子机制研究一直是国际植物发育生物学领域中的重要课题，对于保障国家粮食安全和人民身体健康具有重要意义。

      中国科学院植物研究所研究员、北京大学现代农学院刘春明院长的研究组长期致力于水稻胚乳发育和营养物质累积的调控研究。在过去几年里，系统研究了水稻颖果和胚乳发育过程中每一细胞类型的形态、细胞分化和细胞程序化死亡时间节点（JIPB, 2016a, 2016b）；从分子遗传学水平解析了灌浆过程的调控机制（Cell Research, 2016）；揭示了胚乳细胞通过能量稳态（Molecular Plant, 2021）和DNA去甲基化（PNAS, 2018）调控糊粉层厚度的机理；利用遗传诱变与筛选获得糊粉层增厚的高营养水稻种质资源，并通过与香型紫米品种杂交创制了高营养中紫系列紫米新品种。

      近日，刘春明院长受邀在Annual Review of Plant Biology撰写题为“Cereal Endosperms: Development and Storage Product Accumulation”的综述文章（DOI：10.1146/annurev-arplant-070221-024405）。该论文对过去30余年禾谷类作物胚乳发育和贮藏物质积累的分子调控研究进行了系统总结，阐析了糊粉层和淀粉胚乳分化、灌浆过程中糖运输和卸载的可能机制，提出了以细胞质膜完整性丧失、胞间糖自由流动为基础的“自由贸易”淀粉合成工厂模型，对这一领域面对的重大科学问题和未来发展方向提出了见解。中国科学院植物研究所刘金鑫副研究员为第一作者，吴明伟博士参与文章撰写，刘春明院长为通讯作者。该工作得到国家重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项和国家自然科学基金委项目的资助。

 

水稻胚乳“自由贸易”淀粉合成工厂模型

 

原文来源：中国科学院植物分子生理学重点实验室