題目：Maize VKS1
Regulates Mitosis and Cytokinesis during Early Endosperm Development
期刊：Plant Cell
作者及單位：中國科學院分子植物科學卓越創新中心 / 植物生理生態研究所巫永睿教授為通訊作者，博士生黃永財和副研究員王海海為共同第一作者
ABclonal合作產品和技術：無縫克隆試劑和VKS1抗體定制
物種：玉米
應用：WB IF
一、研究背景
胚乳早期發育是籽粒發育的一個重要階段，伴隨著快速而活躍的細胞分裂過程，短時間內形成大量的胚乳細胞，是決定玉米籽粒大小和產量的關鍵因素。玉米籽粒發育從雙受精到成熟脫水大約需要7週，但胚乳完成細胞分裂和分化只需要8天左右，之後大部分胚乳細胞不再分裂，也就是說胚乳細胞的數目在發育早期就決定了，中後期胚乳細胞只是儲存物質合成和增大並進行程序性死亡。
驅動蛋白（Kinesin）最先是1985年從魷魚的軸質中分離的一種馬達（Motor）蛋白，能利用ATP水解所釋放的能量驅動自身及所攜帶的貨物分子沿微管運動，在調控微管的能動性、胞內運輸、有絲分裂以及染色體運動等方面發揮著重要功能。微管系統在早期胚乳發育活躍的有絲分裂和快速的細胞化過程中起重要作用。玉米胚乳早期發育過程一直被認為是非常重要的一個發育階段，但由於很難通過正向遺傳學篩選到特異影響早期發育的因子以及研究方法的限制，近幾十年來早期發育的研究大多僅是細胞學形態的觀察，而機制的研究甚少。
中國科學院分子植物科學卓越創新中心/植物生理生態研究所巫永睿教授（通訊作者），博士生黃永財和副研究員王海海（共同第一作者）及其研究團隊在玉米早期胚乳發育過程中取得重大突破，相關研究成果發表於植物類頂級期刊Plant Cell雜誌。該研究第一次克隆了馬達驅動蛋白並在功能上解析其在玉米早期胚乳發育過程中的關鍵作用，揭示了早期胚乳細胞數目增殖對最終籽粒大小決定的重要分子機理。碩博生黃興、助研王瓊、副研究員王婕琛、所級平台李吉欽、上海交通大學王文琴副教授，安冬博士也合作參與了該項研究工作。
二、研究内容及结果
➤ 1、vks1突變體影響籽粒大小不一的發育
巫永睿研究組通過大規模EMS誘變，篩選到一個比較有意思的突變體，它影響籽粒的發育不同於以往報導，一個純合突變體果穗上的籽粒不光都變小，而且變小的程度不一，表現出大小變異的籽粒，而且在不同後代之間也有很大差異，他們將這個突變體命名為varied kernel
size 1(vks1)。通過反復回交證實這種表型變異是由單基因突變而不是多突變基因座的組合效應引起的。野生型WT(A619)的單粒重量顯示出有限的變異，而在vks1中，其範圍為0.0128至0.1898g。在不同階段檢查胚乳發育表明vks1的顆粒小主要是由細胞數量的減少而不是細胞大小的減少引起的。早在4 DAP中觀察到vks1中細胞數量的減少(圖1G-1N)，但是在晚胚乳發育中穀粒填充似乎是正常的。在成熟時，儲存蛋白質和澱粉含量與WT中沒有顯示出可察覺的差異，表明VKS1主要在胚乳發育的早期階段起作用。
Figure 1. Nonuniform Small-Kernel Phenotype of vks1.
➤ 2、Vks1在籽粒發育早期高表達
通過WB實驗研究發現Vks1在籽粒發育過程中的早期(授粉後2和3天)特異高表達，而早期正是細胞快速增殖的活躍階段。
Figure 2. Expression level of Vks1 in seeds of A619 and
B7 at 2 DAP and 3 DAP.
➤3、馬達驅動蛋白VKS1在胚乳發育過程中的作用
研究組進一步通過免疫熒光方法觀察到 馬達驅動蛋白VKS1與有絲分裂過程中的微管共定位在一起，而突變體由於缺少VKS1蛋白導致微管系統紊亂。一方面，在胚乳發育的起始合胞體階段游離核不能形成正常的核質域，表現出緊貼著胚囊壁和聚集在一起不分散，這種狀態將嚴重影響合胞體階段游離核的遷移。
Figure 3. Phenotypes of the Syncytium in the WT and vks1.
另一方面，在旺盛的細胞增殖有絲分裂過程中，突變體胚乳大量出現有絲分裂微管形態異常細胞，紡錘體兩極不聚攏，成膜體異常、細胞板形成缺陷以及部分染色體等不能均等的分離到兩個子細胞，形成大小核和多核細胞等不正常的胚乳細胞類型。
Figure 4. Early Endosperm Mitotic Divisions in the WT and
vks1
由於早期細胞分裂是一個快速而動態的過程，而每粒種子在這兩個快速連續的過程中受到的影響程度不同，缺失VKS1後，有可能籽粒大部分早期胚乳細胞都是異常的，有可能只有少數細胞異常，一個純合突變體果穗上不同籽粒由於有絲分裂和胞質分裂異常程度不同，導致細胞數目減少的程度不同，最終形成變異的籽粒大小。
三、文章小結
該研究闡明了馬達驅動蛋白在胚乳發育過程中的作用，揭示了胚乳早期發育與有絲分裂這樣一個基礎的細胞生物學過程的重要關係，為胚乳早期細胞數目決定最終籽粒大小提供了直接有力的證據，為將來遺傳改良提高產量等提供了候選基因和分子機制。
Proposed Model for VKS1 Function and the
Varied-kernel-size Phenotype
作者專欄
第一作者：黃永財
目前職位：中國科學院分子植物科學卓越創新中心/上海植物生理生態研究所四年級在讀博士生
教育經歷：中國科學院上海生命科學院植物生理生態研究所，遺傳學，博士&碩士；四川農業大學，本科
科研經歷：
2015年本科畢業後，我保送進入中國科學院上海植物生理生態研究所，有幸加入巫永睿研究員課題組進行碩博連讀。在這期間，我經歷了系統的科研訓練，享受玉米科學的研究過程，與本課題組其他成員合作的文章分別在Plant
Biotechnology Journal (Li et al., 2018)和The Plant cell
(Yang et al. , 2018)上發表。自入學以來，我從頭開展vks1這個課題的研究。在團隊的共同努力下，經歷無數次摸索，我們首次通過活體的免疫熒光方法研究玉米早期胚乳發育。我們對整個籽粒發育過程進行了細胞學觀察，發現突變體籽粒變小的主要原因是早期胚乳發育過程中細胞數目減少。進一步的遺傳和分子細胞學研究表明由於馬達驅動蛋白（ZmKIN11）失去功能，在玉米早期胚乳快速的細胞分裂過程中，影響了游離核的核質域形成及遷移，以及在有絲分裂過程中紡錘體的組裝、染色體的分離及成膜體的形成，最終影響了早期胚乳發育過程中細胞的增殖。一個純合突變體果穗上不同籽粒由於有絲分裂和胞質分裂異常程度不同，從而導致大小變異的籽粒。這項研究首次克隆和功能解析了馬達驅動蛋白在玉米早期胚乳發育過程中的關鍵作用，揭示了早期胚乳細胞數目增殖對最終籽粒大小決定的重要分子機理。這是玉米胚乳發育的一個里程碑式的研究，它將早期胚乳發育中特定基因、正向遺傳學、細胞生物學、發育和產量性狀聯繫在一起。這項研究將是這一領域良好的開端。
共同第一作者：王海海
目前職位：副研究員，中國科學院分子植物科學卓越創新中心/中國科學院上海植物生理生態研究所
教育經歷：2004-2009，南京農業大學遺傳學專業博士；2000-2004，山西農業大學農學專業學士
本人簡介：
博士期間建立了棉花遺傳轉化體系並系統研究了果膠裂解酶基因GhPEL在棉纖維發育中的生物學功能。 2009 -2016年在中國科學院上海植物生理生態研究所從事楊樹木質發育機理的研究，首先建立了楊樹栽培種的遺傳轉化體系，同時成功解析了NAC轉錄因子PtSND2在木質發育中的分子機理，另外系統研究了阿拉伯半乳糖基因PtFLAs在木質發育和應拉木形成中的分子機理。研究結果發表在Plant Cell
Reports, Plant Molecular Biology, Scientific Reports, Tree Physiology, Journal
of Experimental Botany等期刊，總引用次數為251次。 2016年至今在植生所巫永睿課題組從事玉米胚乳早期發育機理和硬質胚乳形成機理的研究。最近，我們通過遺傳學、分子生物學和細胞學的方法解析了驅動蛋白KIN11（ZmVKS1）在玉米早期胚乳發育中作用機制，發現VKS1通過影響胚乳細胞有絲分裂中微管系統的形成從而影響早期胚乳細胞的分裂，最終影響胚乳細胞數目和籽粒大小。這項工作的完成為我們進一步揭示玉米早期胚乳發育的分子機理奠定了堅實基礎。
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