New Phytologist：宋伟彬团队揭示ZmCTLP1是维持玉米粒中脂质稳态和基底胚乳转移层所必需的
2021年9月，中国农业大学、中科院遗传发育所的相关研究人员在《New Phytologist》（IF: 10.2）上发表了题为“ZmCTLP1 is required for the maintenance of lipid homeostasis and the basal endosperm transfer layer in maize kernels”的研究论文，揭示了ZmCTLP1 介导的胆碱转运影响内核发育，强调了其在脂质稳态、细胞壁生长和转移细胞胞间连丝发育中的重要作用。
Smk10编码胆碱转运蛋白样蛋白 1 (ZmCTLP1)，它促进胆碱吸收并位于反式高尔基网络 (TGN)
ZmCTLP1 的突变破坏了膜脂稳态和壁向内生长的正常发育。
ZmCTLP1 的突变减少了转移细胞中胞间连丝 (PD) 的数量。
smk10 突变体的 BETL 和 BIZ 中观察到细胞过早死亡。
籽粒重量是谷物产量的一个关键决定因素，它取决于碳水化合物从母体韧皮部到子体组织的有效运输。营养素通过四种细胞类型从母体组织到达中央胚乳：花梗 (PED)、胎盘合点区 (PC)、基底胚乳转移层 (BETL) 和基底中间区 (BIZ)。BETL 是一种独特的胚乳细胞层，具有向内生长的壁，可增加质膜和细胞壁的表面积，在营养溶质从母体胎盘转移到发育中的胚乳中起主要作用。
据报道，有几个基因会影响该区域的养分吸收和分配，从而调节籽粒发育。 Mn1 (Miniature1) 位于 BETL 和 PED 中并催化蔗糖裂解为己糖以产生光合产物的生理梯度，该梯度通过共塑性和质外体进入 PC，然后质体通过 BETL 到达胚乳。ZmSWEET4c基因编码一种糖转运蛋白，据报道将 Mn1 产生的己糖转运到胚乳。具有壁向内生长的完全分化 BETL 的发展需要 Mn1 和 ZmSWEET4c 的正常功能。壁向内生长形成扩大了质膜的表面积，因此需要丰富的脂质前体，如磷脂酸、甘油三酯、乙酰辅酶 A 和胆碱。
胆碱转运由三种不同的系统介导：高亲和力胆碱转运蛋白 (CHT1)、中等亲和力胆碱转运蛋白样 (CTL) 蛋白和低亲和力多特异性有机阳离子转运蛋白 (OCT)。在植物中，第一个胆碱转运蛋白 AtCTL1 在拟南芥中分离，并已被证明具有胆碱转运活性。AtCTL1 还通过促进植物生长和发育过程中生长素外排转运蛋白的运输来调节生长素分布。AtCTL1对胞间连丝（PD）的形成和发展至关重要。尽管如此，关于植物胆碱转运蛋白的信息非常有限，其在籽粒发育和籽粒生物学中的作用仍然未知。
研究人员首先在 B73 背景下筛选了由甲基磺酸乙酯（EMS） 诱变产生的突变文库，旨在基于小粒的表型识别新的调控核发育的调控因子。研究人员筛选了一个突变体，命名为 smk10。在 B73 遗传背景中，smk10 表现出胚乳和胚胎的尺寸减小，其籽粒发育较慢。smk10幼苗叶和根的生长比野生型慢，这主要是由于胚乳和胚较小。然而，野生型和 smk10 在成熟期的籽粒行数、穗长、株高和雄穗分枝数等重要农艺性状上没有明显差异。在授粉后12天（12 DAP）可观察到明显的表型差异：smk10 表现出空的果皮和小的、不规则的胚乳和胚胎。此外，smk10胚乳发育出功能失调的营养转移细胞，特别是BETL和BIZ细胞，这可能阻碍营养从母体组织向胚乳的运输。
玉米smk10突变体的表型特征
接着，研究人员通过smk10的图位克隆，鉴定了玉米CTL1胆碱转运蛋白同源物ZmCTLP1，它促进胆碱吸收并位于反式高尔基网络 (TGN) 中。ZmCTLP1 在胆碱转运中起作用，研究人员通过高效液相色谱 (HPLC) 测量了 12 DAP 内核中的胆碱含量，发现smk10 突变体的胆碱含量显著低于野生型，这意味着 ZmCTLP1 是正常胆碱稳态所必需的。
此外，研究人员使用 HPLC-质谱法 (HPLC-MS) 探究了 24 类膜脂的含量，发现smk10 突变体中的总脂质含量较高，并且 smk10 中的游离脂肪酸（FFA）水平也高于野生型。三分之一的磷脂，包括磷脂酰丝氨酸 (PS)、溶血-PS (LPS) 和溶血-PA (LPA)，以及超过一半的鞘脂，包括植物神经酰胺 (PhytoCer)、植物葡萄糖神经酰胺 (Phyto-GluCer)， 植物鞘氨醇 (PhytoSph)、鞘氨醇 (Sph) 和 1-磷酸鞘氨醇 (S1P) 在 smk10 中显示出显著改变。全局脂质图谱显示，在 smk10 突变体中，所有 FFA 和大多数磷脂分子种类在 smk10 中都显示出显著改变。总体而言，脂质组学分析结果表明，smk10 中脂质稳态受到严重破坏。
12 DAP时smk10突变体玉米籽粒发育异常时胆碱和脂质稳态的变化
由于 smk10 中的转移细胞畸形，研究人员进一步探究了转移细胞之间营养运输的共生途径是否受到影响。为此，研究人员对石蜡切片进行苯胺蓝染色，然后用共聚焦显微镜确定 PD 颈部周围胼胝质沉积的位置。结果发现，与 12 DAP 的野生型相比，smk10 中 BIZ 细胞壁的信号显著减弱。smk10 在 12 DAP 时 BIZ 区域的 PD 数量显著降低，但野生型和 smk10 之间的 PD 形态没有明显差异。这些观察结果表明，ZmCTLP1 是胚乳转移细胞中 PD 形成所必需的。
ZmCTLP1对玉米PD发育至关重要
为了更好地了解 smk10 对全局基因表达的影响，研究人员对 6 DAP和12 DAP smk10 和野生型内核进行了 RNA-seq 分析。对 6 DAP 籽粒中 DEG 的基因本体论（GO）分析显示，GO术语“对非生物刺激的反应”、“营养物质储存活性”、“对脂质的反应”、“细胞壁大分子代谢过程”和“对其他生物体细胞的杀伤”丰富。12 DAP 的 DEG 富含与营养代谢和运输相关的 GO 术语，例如“营养库活动”、“碳水化合物代谢过程”、“跨膜转运蛋白活性”和“细胞 - 细胞连接（PD）”。8 个 BETL 特异性基因，包括 Mn1 和 ZmSWEET4c，在 smk10 中显著下调。位于 PED、PC 和 BETL 中的离子、氨基酸和糖的组织特异性转运蛋白也在 smk10 中在 12 DAP 中差异表达。此外，smk10 中的 Mn1 蛋白积累显著低于野生型。RNA 原位杂交与 RNA-seq 结果一致，smk10 中的 ZmSWEET4c 表达再次显著低于野生型。这些结果表明 ZmCTLP1 影响关键内核发育基因的表达。
基于RNA-seq数据的6-12 DAP野生型和smk10玉米籽粒之间DEGs的基因本体分析
胆碱和脂质稳态的破坏会引发植物和动物的细胞死亡，研究人员最后探究了smk10 的 BETL 和 BIZ 中的细胞死亡，结果在 smk10 突变体的 BETL 和 BIZ 中观察到细胞过早死亡，这可能会减弱从母体胎盘到子组织的营养运输。
综上所述，ZmCTLP1功能的丧失破坏了转移细胞的胆碱和脂质稳态，从而减少了营养物质从母体胎盘到发育中胚乳的运输。smk10中BETL细胞的形态异常部分归因于PD数量减少，这会破坏营养素和其他信号的细胞间运动。smk10籽粒中的淀粉、糖和蛋白质含量显著改变，这可能是由于PD介导的细胞间共质体运输缺陷所致。
ZmCTLP1控制玉米籽粒发育的工作模型
