MYB95生物学功能及其调控玉米响应低磷的分子机制研究

Grain yields only reach 48% of yield potential in maize production in China in contrast to 77% of that in USA. In low- and middle-yield fields, low bioavailability of phosphorus is a major limitation factor for maize production. MYB transcription factors play essential regulatory roles in maize in response to environmental stresses; however, functional characterization remains very limited. We found that ZmMYB95 has two iso-transcripts with distinct response patterns to low phosphorus. GFP tagged ZmMYB95-1 and ZmMYB95-2 are localized to the nucleus. In the yeast, ZmMYB95-2 binds to the promoter region of more key genes regulating phenylpropanoid metabolism. Importantly, ZmMYB95 overexpression makes maize plants more low-phosphorus resistant by preferentially allocating phosphorus towards the shoot under the low phosphorus condition. This proposal will further investigate 1) promoter sequences, coding sequences, histone H3 methylation patterns of alternative splicing regions, expression patterns of MYB95 in maize and teosintes under control and low phosphorus conditions; 2) localization of ZmMYB95, differential regulation of flavonoid metabolism, IAA distribution, and IMF infection by ZmMYB95-1 and ZmMYB95-2; 3) physiological and biological phenotypes of ZmMYB95-1 and ZmMYB95-2 transgenic lines; 4) target genes, interaction proteins, gene networks of ZmMYB95-1 and ZmMYB95-2. This project has special implications in plant nutrition, genetics, and ecology and large potential for breeding application.

中国玉米单产仅实现48%的潜力（美国77%），磷生物有效性差是制约大量中低产田玉米单产提高的突出因素。MYB转录因子在胁迫响应过程中起重要调控作用，但缺乏深入功能研究。我们发现，ZmMYB95存在可变剪接（ZmMYB95-1和ZmMYB95-2），两个转录本具有不同的低磷增强表达模式，但GFP融合蛋白均定位于细胞核；ZmMYB95-2在酵母系统能结合更多的苯丙烷代谢途径关键基因；重要的是，ZmMYB95过表达玉米株系在低磷条件优先将磷素向地上部转移而更耐低磷胁迫。本课题将深入研究野生玉米和玉米MYB95序列特征、可变剪接区域组蛋白H3甲基化特征、对照和低磷条件的表达特征；ZmMYB95定位，两个转录本是否差异调控类黄酮代谢、生长素分布、菌根侵染；玉米转基因株系生理和生物学表型；ZmMYB95靶基因、互作蛋白、基因调控网络。课题具有重要的植物营养学、遗传学、生态学价值和育种应用前景。

项目利用植物营养生理、生物化学、反向遗传等方法，深入解析MYB95和旁系同源基因MYB36的生物学功能及其调控玉米磷高效利用的分子机制，取得如下重要进展：一、MYB95是在玉米基因组复制后产生的新基因，且存在两个转录本（MYB95-1和MYB95-2）；其中，MYB95-1 含有两个完整的MYB 功能域，MYB95-2 只含有一个不完整的MYB 功能域。MYB95-1在根、雌穗、雄穗表达量较高，而MYB95-2主要在苞叶和雄穗中表达，且两个转录本在根中均特异性受低磷诱导表达。异源超表达MYB95-1和MYB95-2至柳枝稷显著提高其分蘖数，酵母双杂实验表明MYB95-1和MYB95-2均与TCP7蛋白互作，为MYB95调控植物分枝提供了依据。MYB95-1超表达可能通过PHR1或磷转运蛋白PHT1;1的表达调控磷的吸收。二、MYB95旁系同源基因MYB36定位于细胞核，在根中受低磷特异诱导表达，异源超表达MYB36显著减少拟南芥和柳枝稷叶片数目，降低拟南芥果荚长度和柳枝稷分蘖数。构建MYB36玉米转基因株系并分析其苗期表型发现，在低磷条件下转基因株系根和地上部生物量显著提高，根冠比显著降低，且转基因株系的地上部/根磷分配比例显著提高，上部叶片磷浓度显著高于野生型；而且，PHT家族基因和PHO1在超表达株系显著上调表达；因此，MYB36可能在低磷条件通过调控磷转运相关基因的表达促使磷从老叶向新叶转移。重要的是，MYB36超表达株系籽粒数、百粒重等显著增加；转录组测序发现大量差异表达的磷转运蛋白、糖以及氨基酸转运蛋白基因，且这些糖转运和氨基酸转运蛋白基因启动子均含有MYB36结合的MRE元件，MYB36可以结合相关靶基因而调控磷和光合同化产物的转运而提高玉米产量。三、低磷导致B73、C72和Z58源叶磷浓度下降，糖和淀粉含量也显著降低，表明低磷条件下玉米首先利用源叶磷和碳水化合物，并将其转运至库叶。转录组测序发现，源叶磷转运蛋白PHT2、PHT4和PHO2上调表达；源叶大量糖转运蛋白基因差异表达，且ZmPHR1直接结合源叶中上调表达的糖饥饿诱导基因ZmTIP 的启动子，从而调控源叶糖转运或积累。此外，进一步解析了CCD10a的功能及PHR1调控广谱氨基酸转运蛋白ZmAAP2和ZmLHT1的机制。