Plant Com | 北京市农林科学院赵久然研究员团队揭示了AIP1基因协同调控玉米抗倒伏和高产的新机制

近日，北京市农林科学院玉米所赵久然研究员团队在国际著名期刊Plant Communications （IF=11.6）上发表了题为“Actin-interacting protein 1 enhances stalk mechanical strength and yield in maize”的研究论文，揭示了肌动蛋白互作蛋白1（AIP1）通过与肌动蛋白ACT6和ACT7结合，调控茎秆粗度和果穗轴粗度，进而提高茎秆强度和果穗产量的新机制。

研究背景

倒伏是影响玉米高产、稳产、优质的重要因素，同时还会影响机械化收获的效率，倒伏率已经成为玉米品种审定中的限制性因子。传统育种中，抗倒伏与高产往往难以兼得，科学家一直在寻找协同调控这两类性状的关键基因。

茎粗是茎秆物理特性最为重要的组成因子之一，增加茎秆粗壮度对提升玉米茎秆抗倒伏性具有重要作用。不仅如此，茎粗的重要性还体现在其对生殖器官产量的正向促进作用，这一现象及其分子机制在水稻研究中逐渐被揭示，而在玉米中对此知之甚少。

研究内容

研究团队利用486份玉米自交系组成的CUBIC群体，鉴定到调控茎秆基部第3、4、5节茎粗的主效QTL，通过精细定位及转录组测序，锁定了候选基因为AIP1。通过对24个亲本测序，鉴定到其外显子上非同义突变的SNP256，其GG→AA突变导致AIP1第50位氨基酸由丙氨酸变为苏氨酸（A50T）。AIP1^256AA在玉米自然群体中具有更壮的茎秆、更粗的穗轴、更多的籽粒和更高的产量。

                                   图1 AIP1基因的克隆及其有利等位基因AIP1^256AA的效应

敲除AIP1基因导致玉米的茎秆变细、茎秆机械强度降低。免疫荧光染色揭示突变体肌动蛋白含量减少；茎秆显微和CT分析发现突变体厚壁组织区域厚度和面积显著减小、维管束数目减少。进一步分析发现厚壁组织区域厚度与茎秆穿刺强度显著正相关。更重要的是，突变体的果穗轴显著变细、单穗籽粒数和单穗粒重均显著降低。该结果表明AIP1基因突变降低茎粗和产量。

                                               图2 敲除AIP1导致茎秆变细、产量下降

AIP1定位于细胞质和细胞膜中。表达谱分析显示AIP1呈组成型表达，并在维管束密集的区域高表达。荧光原位杂交显示在茎秆和穗轴的厚壁组织区域均检测到AIP1的mRNA信号，表明AIP1在厚壁组织和维管束区域发挥重要的生物学功能。

                                                    图3 AIP1的在厚壁组织和维管束表达

进一步通过酵母双杂、荧光素酶互补、免疫共沉淀实验，以及利用AlphaFold2模型预测发现AIP1与ACT6和ACT7互作，并且AIP1的有利等位基因编码的蛋白AIP1(T50）能增强AIP1与ACT6和ACT7的互作。

                                                 图4  AIP1(T50)增强AIP1与ACT6/7的互作

AIP1^256AA有利等位基因在玉米自然群体中仅存在于约19.3%的温带品系中，表明其在多数玉米种质中尚未被充分利用。该等位基因可协同改良茎秆抗倒伏性与产量，为分子标记辅助选择提供了精准靶点。

研究结论

本研究发现了一个新的调控茎粗的基因为AIP1，该基因外显子上的有利等位基因能增强其编码的蛋白与ACT6/7的互作，提高肌动蛋白含量和厚壁组织区域厚度，进而促进茎秆增粗、穗轴增粗，最终增强茎秆强度，并提高果穗产量。本研究揭示了细胞骨架调控茎秆发育的新通路，也为玉米抗倒伏高产育种提供了借鉴。

                                    图5 AIP1基因协同调控茎秆强度和产量的作用机制模式图

研究团队

北京市农林科学院玉米研究所王夏青、张如养、孙轩为论文第一作者；赵久然研究员、宋伟研究员、王荣焕研究员为论文通讯作者。该研究得到了国家自然基金、北京市自然基金、北京市农林科学院优秀青年基金等项目的资助。

原文链接

Actin-interacting protein 1 enhances stalk mechanical strength and yield in maize: Plant Communications