玉米生长和防御中意想不到的蛋白质联系可以增强作物的恢复力

玉米是世界上最重要的主粮作物之一，已被广泛研究。然而，调控其生长发育的遗传机制仍有许多方面尚未被探索。

最近的研究表明，一种名为COI1的蛋白质家族主要调控玉米的生长，这种蛋白质家族此前与拟南芥和水稻等其他植物物种的防御机制有关。这一发现可能有助于培育出更健壮、产量更高的玉米品种。

在植物中，生长和防御经常发生冲突。当植物专注于防御害虫或疾病时，生长通常会退居次要地位，因为抑制防御基因的蛋白质(称为JAZ(茉莉酸ZIM结构域))与抑制生长基因的蛋白质(DELLA)之间存在相反的相互作用。COI蛋白通过降解JAZ在平衡这两个过程方面发挥着重要作用。

该研究集中于玉米中的六种COI蛋白，分为两组：COI1和COI2。突变植物被创造出来，缺少一种、两种或所有四种COI1蛋白。然而，缺少两种COI2蛋白的突变体无法产生，因为缺少这两种蛋白的花粉是致命的。这表明COI2蛋白在玉米的雄性生殖和花粉发育中起着至关重要的作用。

真正令人惊讶的是缺失了所有四种COI1蛋白的植物。“与野生型玉米植物相比，这些‘COI1-4x’突变体表现出显著的生长减缓，”最近发表在《植物细胞》杂志上的这项研究的第一作者兼共同通讯作者LeilaFeiz说。“这与我的预期相反，因为COI突变通常会导致拟南芥和水稻等其他物种长得更高。”

Feiz详细阐述道：“在C3coi突变植物中，例如拟南芥，由于COI无法降解JAZ，导致DELLA被JAZ捕获。这会诱导赤霉酸诱导的生长基因，而这些基因通常在没有赤霉酸的情况下会被DELLA抑制。相反，连续用茉莉酸处理的野生型植物比未经处理的植物长得更矮。这是因为COI可以感知茉莉酸并降解JAZ。

“降解激活了防御基因，并将DELLA从JAZ捕获物中释放出来，从而抑制生长。与拟南芥和水稻COI突变体相比，它们的表型比野生型更高，而玉米四重COI1突变体与双突变体和野生型植物相比，生长时间更短。”

进一步分析显示，玉米COI1蛋白可能进化出了一种新功能：降解抑制植物生长的DELLA蛋白。Feiz提出，通过分解这些抑制生长的DELLA，COI1蛋白可使玉米在高浓度茉莉酸的环境中继续生长。茉莉酸在炎热干旱气候下生长的植物中含量丰富，玉米和甘蔗等C4植物就是在这种气候下进化而来的。

COI1在调节DELLA水平和生长方面发挥的这种新作用可能是一种适应性，它帮助玉米，甚至可能是其他C4植物，在这样的环境中茁壮成长——这是C4进化的驱动力。通过将生长和防御反应分离，玉米和其他C4植物(如高粱)即使在面临通常会限制生长的环境压力时也能保持强劲生长。

这项研究项目有一个有趣的背景故事。它始于近五年前，当时从一个废弃的项目中拯救了几株单突变植物。凯文·阿亨(KevinAhern)当时是博伊斯·汤普森研究所乔治·詹德(GeorgJander)实验室的现场经理和研究生，他通过授粉和收集种子拯救了这些植物。

几个月后，詹德实验室的研究员菲兹接管了突变种子，继续进行该项目。在整个研究过程中，她与其他几位科学家合作，其中包括张俊飞实验室的博士后研究员吴珊，她帮助分析了大量的RNA测序数据集。

这项研究揭示了COI蛋白如何与DELLA蛋白以及植物信号通路的其他成分相互作用，为提高作物的抗逆性和生产力开辟了新的可能性。它强调了植物生物学的基础研究如何揭示令人着迷的进化适应性并带来现实世界的农业进步。

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