2022年11月 17 日， EMBO Reports 杂志在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心晁代印研究组题为 “A genome-wide association study identifies a transporter for zinc uploading to maize kernels” 的研究论文。该研究在玉米中鉴定到控制籽粒Zn积累自然变异的基因ZmYSL2，阐明植物籽粒从母体吸收锌元素的分子机制，并首次创制了籽粒Zn和Fe同时高积累的新型玉米育种质材料。

　　锌营养缺乏是目前全球最严重的营养问题之一，它可以造成发育迟缓、 免疫力低下、味觉异常以及性功能低下等疾病，在老人和儿童群体表现最为严重。这是因为多数植物来源的主食经过精细加工后，含锌量极低，并且其中的抗营养因子还会进一步阻碍人体对Zn的吸收效率。玉米是全世界广泛种植的粮食和饲料作物，更是一些Zn营养缺乏地区的主食。因此通过分子设计育种提高玉米籽粒中的Zn含量是改善这些地区“隐形饥饿”问题最高效的方式。籽粒中Zn的积累依赖于根部的吸收，木质部和韧皮部的长距离运输和籽粒对母体的吸收等过程。然而，Zn是如何从母体转运到籽粒，一直是植物营养领域的未解之谜。

　　该研究首先通过对玉米CUBIC群体1404份家系籽粒锌（Zn）含量进行全基因组关联分析，定位到了一个位于5号染色体上的主效QTL位点（图1），进一步在该QTL区间内克隆了一个编码Zn-NA（nicotianamine）转运蛋白的功能基因ZmYSL2（图1）。单倍型分析结果显示ZmYSL2 启动子的结构变异引起的表达量的差异可能是造成群体籽粒Zn含量变异的原因。

　　接下来通过CRISPR-Cas9技术敲除ZmYSL2获得两个独立的突变体criysl2-1和criysl2-2，同时从巫永睿研究组获得了两个ZmYSL2的等位突变体zmysl2-1和zmysl2-2（图2A-G）。离子组检测发现，相比于各自对应的野生型，ysl2突变体整个籽粒中的Zn含量显著降低，在胚中降低的最为明显（图2H-J）。另外ysl2 突变体均出现粉质胚乳，强等位突变体表现为不育，弱等位突变体表现为可育（图2）。

　　进一步的原位杂交和免疫荧光实验发现ZmYSL2定位在胚乳基底转移层（BETL）靠近母体的一侧细胞膜上（图3A-B）。同时我们观察到在籽粒发育过程中，Zn被阻滞在BETL细胞外，无法进入胚和胚乳细胞中（图3C）。这些结果表明ZmYSL2定位在BETL负责从母体组织吸收Zn元素。

　　当分别用BETL特异高表达的启动子pBETL9和组成型高表达的pUbi启动子驱动ZmYSL2时，转基因植株籽粒中的Zn含量均显著升高（图4A-B），其中用pUbi启动子驱动的植株籽粒的Zn含量最高提高了31.6%，达到了Zn强化玉米的育种目标（图4B）。同时，由于ZmYSL2的异位表达，pUbi启动子驱动的植株籽粒的Fe含量也显著提高（图4B）。因而，此项研究发现了影响玉米种子锌、铁等离子分配和积累的关键基因ZmYSL2，其定位在BETL细胞介导籽粒对母体Zn元素的吸收（图4C）。同时通过超表达ZmYSL2实现了种子Zn和Fe同时高积累，为解决人类锌和铁营养缺乏，改善人类生命健康提供了全新视角和方案。

　　中国科学院分子植物科学卓越创新中心晁代印研究员为通讯作者，博士后晁振飞、华中农业大学严建兵教授研究组博士后陈园园和中心巫永睿研究员研究组已毕业博士生冀晨为共同第一作者，严建兵教授和巫永睿研究员参与指导了该研究。晁代印研究组实验师王亚玲、副研究员韩美玲、博士生宋涛、吴嘉琛、刘楚彬、已毕业研究生张楚莹，巫永睿研究组博士生黄兴、郭亮兴和已出站博士后杨俊（现安徽农业大学教授）参与了该研究。该研究得到国家自然科学基金重点项目、中科院先导计划和牛顿基金高级学者项目的资助。

　　的资助。

　　文章链接：https://www.embopress.org/doi/abs/10.15252/embr.202255542

图1. CUBIC群体籽粒Zn含量全基因组关联分析鉴定到ZmYSL2

图2. zmysl2突变体籽粒Zn含量显著降低

图3. ZmYSL2定位在籽粒BETL负责从母体组织吸收Zn元素

图4. 超表达ZmYSL2植株籽粒Zn含量显著提高