Molecular Plant：内皮层叶绿体的正常结构和功能对于玉米花药发育至关重要
2020年9月，北京科技大学万向元教授团队在《Molecular Plant》（IF: 12.08）上发表了题为“Normal Structure and Function of Endothecium Chloroplasts Maintained by ZmMs33-mediated Lipid Biosynthesis in Tapetal Cells Are Critical for Anther Development in Maize”的研究论文，深入研究了花药内皮层叶绿体功能及其与玉米育性的关系，阐述了ZmMs33/ZmGPAT6基因影响玉米花药发育的作用机制。
绒毡层中的脂代谢及其产物促进内皮层叶绿体膜的形成，确保叶绿体的正常结构与功能。
发现了花药内皮层叶绿体在花药不同发育时期的差异化作用，在S10之前发挥淀粉周转能力，而在S10之后发挥光合作用能力。
内皮层叶绿体和绒毡层共同协作，为成熟花粉粒的最终形成提供脂类和糖类物质及能量。
植物细胞核雄性不育（GMS）基因的生物学研究对加深我们对植物雄性生殖的了解具有根本作用。到目前为止，已经在植物中鉴定出至少100个GMS基因。然而，在GMS突变体花药中，能量和养分（例如糖，脂质和蛋白质）的生产、分配和利用发生了什么变化，最终导致了雄性不育仍不清楚。在高等植物中，花药壁结构相对保守，由外到内由四层组成：表皮、内皮（En）、中间层和绒毡层。这四层的生理和代谢活性及其调节雄性育性的潜在分子机制仍有待研究。需要阐明四层之间或在花药裂片和中央脉管系统之间的糖，脂质，激素和肽等物质的流动。
与植物营养组织中的叶绿体相比，对植物生殖器官如花和花药的研究很少。 在许多物种中，植物花药的En细胞中主要存在叶绿体，例如大麦、百合属植物、水稻、玉米、油菜籽，而在花药发育过程中En叶绿体的功能意义尚不明确。此外，甘油-3-磷酸酰基转移酶（GPATs）催化甘油脂合成途径的第一步，参与膜脂质，贮藏脂质和细胞外脂质聚酯的生物合成，并在花药发育和雄性育性中发挥重要作用。但是，GPAT在花药发育中发挥作用的详细机制仍待阐明。
研究人员以玉米雄性不育突变体ms33-6038为材料，发现 ZmMs33在早期的绒毡层中高度表达，ZmMs33功能的丧失抑制了S8b之后的花药伸长和发育。为了揭示为什么ZmMs33 / ZmGPAT6功能丧失会抑制花药伸长和发育，研究人员探究了其在糖脂和磷脂代谢过程中的功能。结果表明，ZmMs33功能的丧失导致花药脂肪酸代谢、角质和蜡质的生物合成和脂质转运发生显著变化，玉米花药绒毡层细胞中产生的叶绿体膜相关脂质减少，影响了玉米花药叶绿体的形成。此外，在ms33-6038花药中还观察到叶绿体在糖组分跨膜转运中的功能遭到了破坏。因此，ZmMs33 / ZmGPAT6对于脂质的生物合成以及玉米花药中叶绿体的正常结构和功能至关重要。
ZmMs33定位在绒毡层的ER中对于玉米花药中脂质的生物合成，叶绿体的形成以及糖成分跨叶绿体膜的转运能力至关重要
为了进一步阐明叶绿体膜在叶绿体基质和细胞质之间转运糖组分的功能，研究人员通过透射电镜观察分析了花药壁层中叶绿体的变化，发现花药叶绿体主要存在于En细胞中，其在花药发育S10之前具有淀粉周转能力。昼夜之间En的叶绿体中的淀粉周转可能在玉米花药发育中起重要作用。WT花药的En叶绿体在S10之前在阳光条件下起淀粉生物合成和储存的作用，并且积累的淀粉颗粒（SGs）将在夜间降解以提供碳水化合物和能量用于夜间的花药生长和发育。
ms33-6038突变体花药中内皮细胞叶绿体中积累的淀粉颗粒在晚上不会降解
随后，研究人员通过观察和定量S6-11花药En细胞中的活体叶绿素自荧光来测量WT和ms33-6038花药的光合活性，发现自S10以来，花药En叶绿体具有光合作用能力，并且ms33-6038功能丧失可以通过破坏膜脂质的生物合成、膜结构、形成过程和功能以及抑制光合作用相关基因的表达来破坏En叶绿体的光合作用活性。
ZmMs33对于玉米花药中叶绿体的光合作用至关重要
ROS稳态对花药发育过程中细胞存活和生长至关重要。为了证实ROS在ms33-6038花药中的稳态是否发生了改变，我们研究了野生型和突变体花药在S6-13的产生和含量。发现ZmMs33功能的丧失会导致H 2 O 2在花药中积聚、过早和过度自噬以及绒毡层细胞的过早程序性细胞死亡（PCD）。
为了揭示ms33-6038花药中与自噬相关的代谢重编程，研究人员测量并比较了18种主要代谢物的含量，以及WT和突变体花药之间主要代谢途径中涉及的49个代谢基因的表达水平，然后根据经典的糖酵解和脂质生物合成途径，在突变体花药中重建代谢重编程途径。结果表明，从S7开始，突变体花药中已明显观察到下游糖酵解途径受阻，这反过来导致葡萄糖、Glu-1-P、Glu-6-P、果糖和Fru-6-P的意外积累，这些物质可能需要有效地用作WT花药发育的碳源和能源。
ms33-6038突变体花药中与能量和物质相关的代谢重编程
SnRK1已被证明是调节植物新陈代谢过程的关键能量传感器。研究人员最后探究了SnRK1复合体在ms33-6038花药中代谢重编程中发挥的作用。结果表明，突变型花药大大抑制了白天的淀粉合成和夜间的淀粉降解，导致碳饥饿和低能量的海藻糖-6-磷酸和ATP / AMP比值。这些胁迫因子可以激活自噬的能量传感器和诱导剂SnRK1，激活的SnRK1复合物及其伴侣ZmbZIPs及其下游基因会诱导绒毡层细胞早期和过度的自噬，过早的PCD和代谢重编程，从而促进能量产生的分解代谢过程，抑制能量消耗的合成代谢过程，最终阻止ms33-6038花药的生长。
ms33-6038突变影响花药发育的分子机制
综上所述，该研究通过使用细胞学、分子生物学、转录组学、代谢组学以及生理和生化分析的综合方法，表征了花药发育所需的ZmMs33 / ZmGPAT6的新功能。不仅表明ZmMs33是En叶绿体正常结构和功能所必需的，而且揭示了不同发育阶段叶绿体的淀粉代谢和光合活性在维持花药正常发育中起着关键作用，对绒毡层脂质生物合成、叶绿体结构和功能、花药中能量和物质代谢等与维持玉米花药发育密切相关提供了新的见解。
