玉米是全球重要作物，其中約60%被用作畜禽飼料。然而，玉米飼料中常缺乏蛋氨酸、色氨酸和賴氨酸等必需氨基酸，尤其是作為畜禽限制性氨基酸的蛋氨酸。蛋氨酸攝入不足會(huì)降低飼料轉(zhuǎn)化效率并影響畜禽生長(zhǎng)發(fā)育，同時(shí)增加氮排泄加劇環(huán)境氮污染。因此，通過遺傳改良提高玉米籽粒蛋氨酸含量的生物強(qiáng)化策略，對(duì)飼料行業(yè)意義重大。

近日，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所李新海研究員團(tuán)隊(duì)在Molecular Plant發(fā)表了題為Natural variations in the promoter ofZmDeSI2encoding a deSUMOylating isopeptidase controlling kernel methionine content in maize的研究論文，揭示了控制玉米籽粒蛋氨酸含量的遺傳基礎(chǔ)和分子機(jī)制。

研究團(tuán)隊(duì)精準(zhǔn)鑒定348份玉米自交系在兩年三點(diǎn)環(huán)境下籽粒蛋氨酸含量，結(jié)合~30×重測(cè)序基因型和授粉后20天籽粒胚乳轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，通過全基因組關(guān)聯(lián)分析，解析了控制籽粒蛋氨酸含量位點(diǎn)的基因組分布特征，鑒定到調(diào)控玉米籽粒蛋氨酸含量關(guān)鍵候選基因ZmDeSI2，編碼玉米中去小類泛素化修飾蛋白異肽酶。ZmDeSI2基因表達(dá)量與籽粒蛋氨酸含量呈極顯著負(fù)相關(guān)，在玉米自交系群體中該基因優(yōu)異單倍型ZmDeSI2Hap2籽粒蛋氨酸含量顯著高于ZmDeSI2Hap1。ZmDeSI2敲除株系中籽粒蛋氨酸含量顯著增加，過表達(dá)株系中籽粒蛋氨酸含量降低，說明ZmDeSI2負(fù)向調(diào)控籽粒蛋氨酸含量（圖1）。

圖1 玉米自交系籽粒Met含量的GWAS分析

通過候選基因關(guān)聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)ZmDeSI2啟動(dòng)子區(qū)域變異與籽粒Met含量表型顯著關(guān)聯(lián)。對(duì)ZmDeSI2的轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制分析發(fā)現(xiàn)，ZmDeSI2啟動(dòng)子活性區(qū)域位于轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)上游250-1500 bp之間，優(yōu)異單倍型ZmDeSI2Hap2在該區(qū)間內(nèi)丟失了啟動(dòng)子活性區(qū)域，影響了轉(zhuǎn)錄因子WRKY105與基因的結(jié)合能力，導(dǎo)致基因表達(dá)水平顯著降低，從而解除了對(duì)蛋氨酸合成限制，顯著增加了籽粒蛋氨酸含量（圖2）。

圖2 ZmWRKY105正向調(diào)控ZmDeSI2的表達(dá)

ZmDeSI2具有去SUMO （ small ubiquitin-related modifiers，小泛素樣修飾蛋白）化異肽酶結(jié)構(gòu)域，通過體外和體內(nèi)SUMO化實(shí)驗(yàn)首次驗(yàn)證了玉米中ZmDeSI2的去SUMO化功能。結(jié)合IP-MS，LCI，Co-IP，BiFC和Pull-down等實(shí)驗(yàn)證明了ZmDeSI2作用于Met同化路徑中亞硫酸還原酶ZmSIR。體外無細(xì)胞降解實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了ZmDeSI2通過介導(dǎo)亞硫酸鹽還原酶ZmSIR的SUMO化修飾水平調(diào)節(jié)ZmSIR蛋白積累，進(jìn)而調(diào)控蛋氨酸的生物合成（圖3）。

圖3 ZmDeSI2調(diào)控ZmSIR的SUMO化程度調(diào)節(jié)蛋白降解

通過分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)，將ZmDeSI2優(yōu)異單倍型回交轉(zhuǎn)育至低蛋氨酸含量自交系WC009，在其他農(nóng)藝性狀保持穩(wěn)定的情況下，使籽粒蛋氨酸含量提高1.36倍。該研究首次繪制出ZmDeSI2調(diào)控玉米籽粒蛋氨酸合成的精細(xì)圖譜，為玉米品質(zhì)分子設(shè)計(jì)育種提供了精準(zhǔn)靶點(diǎn)。

圖4 WRKY105-ZmDeSI2-ZmSIR基因模塊調(diào)控玉米籽粒蛋氨酸含量的分子機(jī)制

作物科學(xué)研究所博士后魯鑫為該論文的第一作者，李新海研究員、翁建峰研究員和周志強(qiáng)副研究員為通訊作者。河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所韓小花研究員對(duì)氨基酸表型數(shù)據(jù)收集提供了支持。中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所李文學(xué)研究員和許振南副研究員為本研究提供了寶貴建議。該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、國(guó)家玉米產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系等資助。

https://doi.org/10.1016/j.molp.2025.04.008