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玉米(maize)的變身基因

 

軟質種(左)與硬粒種(右)
圖片來源:Nat. Comm.

你知道玉米有所謂的硬粒種(flint)與軟質種(dent)嗎?

我們吃玉米,其實主要是吃玉米的胚乳(endosperm)。胚乳含有三套染色體,負責提供植物的胚在發芽時所需要的養分。依照胚乳的特性玉米可以分為硬粒種、爆裂種(popcorn)、甜質種(sweet)、軟質種、蠟質種(flour)等。

有些人以為,胚乳之所以有不同的性質,是因為裡面的澱粉。但是科學家發現,硬粒種的種子外圍有一層硬而透明的胚乳(vitreous endosperm),這使得硬粒種的種子比較硬、質地更密。這層硬的胚乳主要是由於該部分內的澱粉顆粒和蛋白質體(protein bodies)更加緊密地結合,形成了更硬的質地。

軟質種則以其在成熟時種子頂部凹陷的特徵而聞名(所以英文用了「dent」這個字),這是因為其種子中心含有較多的軟質澱粉(starchy endosperm),在乾燥過程中容易收縮,形成特有的凹陷形狀。軟質種的種子內部結構相對較為鬆散,使得其在加工時更適合於濕磨工藝。

但是,究竟是什麼原因,讓硬質種與軟質種有這麼大的不同呢?最近中國的研究發現,竟然只需要「一個」基因就可以讓玉米變身!

研究團隊發現,只需要叫做ARFTF17的基因發生突變,就可以造成玉米種子從軟質種轉變為硬質種。ARFTF17基因會產生一個轉錄因子,這個轉錄因子在果皮(pericarp)的發育中發揮著關鍵作用。研究顯示,ARFTF17與另一個轉錄因子MYB40相互作用,共同調控了一系列下游基因的表現,這些基因與玉米種子的形態特徵和內含物的合成有關。

這些基因包括:

1. PIN1:這是一個關鍵的生長素(auxin)運輸蛋白,影響生長素的分布和累積。在ARFTF17發生突變時,PIN1的表現降低,導致生長素含量減少,從而影響到果皮的發育和種子的形態建構。

2. CHS(Chalcone Synthase):是黃酮類生物合成途徑中的一個關鍵酵素,負責黃烷酮的合成,是黃酮類化合物生物合成的第一步。當ARFTF17發生突變,由於ARFTF17的調控作用減弱,MYB40的活性增加,從而促進了CHS等黃酮類生物合成基因的表現,增強了黃酮類化合物的合成。

3. DFR(Dihydroflavonol 4-Reductase):這個基因也是黃酮類生物合成途徑中的一個重要基因,參與了黃烷醇到花色苷基的轉化。當ARFTF17發生突變時,DFR的表現也會上升,進一步提升黃酮類化合物的合成和累積。

4. UGTs(UDP-glycosyltransferases):這些基因負責黃酮類化合物的糖基化反應,影響黃酮類化合物的水溶性和穩定性。透過ARFTF17MYB40的作用,這些基因的表現也會上升。

這些基因的表現改變不僅影響種子的形態特徵,例如通過影響種子外皮的細胞分裂和擴張,改變種子的長度和密度;同時也影響種子的化學組成,例如黃酮類化合物的合成,這可能對種子的營養價值和抗逆性有所影響。此外,生長素的調控作用是植物生長發育中的一個關鍵因素,影響植物的組織分化、細胞伸長等過程,因此ARFTF17MYB40對這些基因表現的調控可能還涉及到更廣泛的生長發育調控機制。

總而言之,這個研究透過發現了玉米種子「變身」的分子機制,為未來玉米品種改良和種子特性的最佳化提供了重要的科學依據。這項研究不僅豐富了我們對玉米遺傳多樣性的理解,也為提高玉米作為糧食和工業原料的質量和效率開闢了新的可能性。由於軟質種與硬粒種在加工上有不同的應用,研究團隊將會開發分子標記,方便育種者未來可以提早選育出適合的品系,不需要等到玉米結果才能揭曉答案。

參考文獻:

Wang, H., Huang, Y., Li, Y. et al. An ARF gene mutation creates flint kernel architecture in dent maize. Nat Commun 15, 2565 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-46955-9

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