11月11日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心晁代印研究团队联合华中农业大学严建兵教授团队、我院基因中心等国内外科研机构合作完成的研究成果发表于国际顶级学术期刊Cell(中科院生物学一区TOP，IF=45.1)。该研究以“Nicotianamine-driven Nickel Transport to Sink Organs Underpins Maize Productivity”为题，首次鉴定出控制禾本科作物籽粒镍积累的关键转运蛋白ZmNAET1，揭示植物特有非蛋白氨基酸烟胺(Nicotianamine，NA)介导了镍由茎、叶等“源”器官长距离运输到籽粒等“库”器官的分子机制，并阐明了镍依赖的脲酶活性在氨基酸代谢、种子活力和产量形成中的关键作用。
中国科学院分子植物科学卓越创新中心晁振飞博士、浙江省农科院基因中心陈园园博士、中国科学院分子植物科学卓越创新中心吴嘉琛为论文共同第一作者；中国科学院分子植物科学卓越创新中心晁代印研究员和华中农业大学严建兵教授为论文共同通讯作者。
镍元素营养：作物产量形成中尚未充分认识的重要因素
1840年，植物营养学奠基人李比希提出作物产量的“最小养分律”，即作物生长取决于供给最不足的那种养分。人们常用“木桶短板”来形象说明这个道理，一只木桶能盛多少水，取决于最短的那块木板。因此，作物产量不仅由氮、磷、钾等大量元素决定，镍等微量元素也可能成为限制产量的“短板”。镍是植物生长发育所必需的微量元素，也是植物中最后一个被确认的必需微量元素。长期以来，镍在植物体内的运输、分配与稳态调控机制尚不明确，尤其是其在作物籽粒发育和产量形成中的生理功能及遗传基础缺乏系统认识。
鉴定关键基因ZmNAET1，揭示镍元素向籽粒运输的新机制
研究团队利用人工构建的玉米CUBIC群体1404份家系的不同年份不同环境下籽粒镍含量数据，开展全基因组关联分析，鉴定出调控玉米籽粒镍积累的关键基因ZmNAET1，发现其在镍向籽粒分配过程中发挥重要作用。
本研究发现ZmNAET1调控区的自然变异会影响籽粒镍含量，高表达类型材料的籽粒镍含量可高出约60%，表明该基因具有可供育种利用的天然遗传变异。进一步的分子生物学、细胞生物学和生物化学的研究表明，ZmNAET1在镍运输的路线上扮演着关键的“出口”作用，它主要存在于茎节和穗柄的韧皮部细胞中，负责细胞中合成的NA向细胞外分泌。NA在胞外与游离镍结合形成Ni-NA复合物，随后通过相关转运蛋白重新导入韧皮部，并进一步运往籽粒等库器官。这一发现揭示了NA参与植物镍Ni长距离运输和组织分配的重要功能，阐明了玉米籽粒镍营养积累的关键分子基础。
揭示镍元素参与种子活力与产量形成的重要生理功能
为进一步解析ZmNAET1的生物学功能，研究团队构建了ZmNAET1功能缺失突变体，并系统分析其生长发育和种子生理特征。
研究发现，ZmNAET1功能缺失不仅显著降低玉米产量，还导致种子萌发速度下降、种子寿命大幅缩短，表明镍元素向籽粒的有效运输对维持种子质量及作物生产力具有重要意义。值得关注的是，外源补充镍元素能够完全恢复突变体的种子萌发能力和玉米植株正常营养生长，进一步证明了镍供应不足是造成突变体相关生长发育缺陷的重要原因。
在作用机制方面，研究发现，ZmNAET1依赖的镍元素向库器官长距离运输对于脲酶活性至关重要，进而影响籽粒等库器官尿素利用、氨基酸合成和能量代谢过程。由此揭示了镍元素通过参与脲酶介导的代谢过程，影响种子活力及玉米产量形成的重要生理机制。
此外，研究团队在水稻中还鉴定出两个同源基因OsNAET1和OsNAET2，它们是水稻籽粒镍含量的关键控制基因，表明这一机制在禾本科作物中具有保守性。与模式植物拟南芥中的同类基因主要调控铁、铜、钴运输不同，玉米和水稻的NAET1主要影响镍及少量锌的分配，反映出禾本科与双子叶植物长距离金属运输策略的差异。
研究意义
长期以来，禾本科植物镍需求较低、镍缺乏现象相对少见，其镍的长距离运输及生理功能尚未得到充分认识。本研究鉴定出调控禾本科作物镍长距离运输的关键基因，揭示了烟胺(NA)介导镍向籽粒等库器官分配的新机制，拓展了对NA生物学功能及禾本科植物镍营养需求的认识。研究进一步揭示了镍运输与脲酶活性、氨基酸代谢、种子活力及产量形成之间的内在联系，为重新认识镍在禾本科作物生长发育中的作用，以及通过营养调控和分子育种优化微量元素供给、提升作物产量与种子活力提供了新的理论依据和基因资源。
本文系转载，转发此文目的在于促进信息交流，不存在盈利性目的，此文观点与本站立场无关，不承担任何责任，不做任何投资和交易根据。如无意侵犯媒体或个人知识产权请告知我们，我们将在第一时间做删除处理。
