Plant Cell | 中国农业大学陈建/刘秋杰团队揭示VIMa和父本印记基因VIMb协同调控玉米胚乳发育的新机制

玉米是重要的粮食、饲料和工业原料。胚乳作为玉米籽粒中最大的储藏组织，其生长发育受到精细的遗传调控。基因组印记是一种经典的表观遗传现象，常发生在开花植物的胚乳。尽管玉米中已鉴定出上百个印记基因，但仅有少数基因在籽粒中的生物学功能被解析。核内复制是一种特化的细胞周期，指细胞在不发生胞质分裂的情况下持续进行DNA复制，从而提升细胞核的倍性。细胞的倍性常与细胞大小呈显著的正相关。玉米胚乳于授粉后8-10天逐渐由有丝分裂转向核内复制，这一转变使胚乳细胞倍性提升、细胞体积增大，为胚乳积累贮藏物质、保障种子发育提供基础。

近日，中国农业大学陈建副教授、刘秋杰副研究员团队联合赖锦盛教授团队在The Plant Cell发表题为VIMa and paternal-specifically expressed VIMb are involved in regulating DNA methylation and endosperm development in maize的研究论文(https://doi.org/10.1093/plcell/koag158)。该研究系统解析了VIM家族在调控籽粒发育过程中的功能，证明VIMa和VIMb在胚乳CG甲基化维持和核内复制过程中的关键作用。值得注意的是，VIMb是玉米中首个被报道的在籽粒发育中发挥关键功能、且表现出近完全印记模式的父本印记基因。

研究鉴定到一个玉米自然突变体miniature seed9(mn9)，该突变体籽粒显著变小，但对植株整体发育几乎无影响。将mn9与自交系郑58(Z58)杂交后，F₂代的分离比不符合经典孟德尔遗传规律；进一步的正反交实验显示，mn9×(mn9×Z58)与(mn9×Z58)×mn9的遗传分离比存在显著差异。通过图位克隆发现mn9的表型由两个同源基因VIMa和VIMb同时突变所致。其中，VIMa在多种组织中广泛表达，遵循孟德尔分离规律；而VIMb为胚乳特异性表达的父本印记基因，几乎只有来自父本的VIMb可以表达(图1)。利用CRISPR/Cas9技术构建vima和vimb单突变体及vima;vimb双突变体，通过遗传实验进一步证实VIMa和VIMb的同时突变是导致mn9突变体表型的原因。

图1 VIMb的印记模式验证

研究还发现，vima;vimb突变体中胚乳全基因组CG甲基化水平降低了32.17%。胚乳转录组分析表明，vima;vimb中下调表达的基因显著富集到DNA复制和细胞周期等通路，尤其是核内复制相关基因的表达下调。通过流式细胞分析，作者发现相较于野生型，vima;vimb突变体15 DAP胚乳的低倍性3C核比例增加了24.59%，而其余所有高倍性6C、12C、24C、48C核比例均显著降低(图2)。此外，组织学观察发现，vima;vimb突变体的淀粉胚乳大小在15和18 DAP分别减少了21.00%和50.13%，而15 DAP的纵轴细胞数增加12.78%。上述结果说明了VIMa和VIMb功能的同时缺失下调了一系列胚乳核内复制相关的基因，导致核内复制进程受阻，细胞大小扩张受限，最终表现为籽粒减小。该研究扩展了VIM家族作为表观遗传调控因子外的功能，为玉米籽粒大小的遗传调控提供潜在靶点。