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玉米是主要的粮食、饲料和能源作物及重要的工业原料,在保障国家粮食安全方面有着举足轻重的作用。籽粒相关性状是决定玉米产量和品质的重要因素,籽粒发育进程涉及众多基因的时空表达、蛋白质互作和代谢途径的调控,因此挖掘籽粒产量和品质相关的关键基因,解析其分子调控机理和生物学功能是深入了解籽粒发育机制、提高玉米产量和品质的重要途径,以服务于优质高产玉米新品种选育。实验室前期对来源于美国玉米种质中心的粉质胚乳突变体（3605K）,命名为o18,进行了研究,发现该突变体为单基因控制的隐性突变体,其籽粒赖氨酸含量增加、且胚发育受损。利用图位克隆技术将o18候选基因定位在140 kb的物理区间内,结合RNA-seq结果对区间内的基因进行测序分析,初步确定Zm00001d016902为候选基因。本研究在此基础上利用W64A背景的近等基因系,对O18进行功能验证和分析,证实了核黄素通过整合细胞能量和细胞周期调控玉米胚乳发育。主要研究结果如下:1.对o18进行表型和细胞学分析发现:与野生型相比,成熟突变体籽粒呈现不透明,粉质胚乳区域增加、胚明显皱缩;石蜡切片发现突变体胚乳细胞淀粉填充不饱满,胚发育滞后且分化不完全,胚乳基底传递层细胞排列疏松且细胞壁内增生减少。2.等位测试表明,新获得的Zm00001d016902基因EMS提前终止突变体o18-2和利用CRISPR/Cas9技术获得该基因的敲除突变株o18-3与o18-1突变体互为等位基因突变体。转基因功能互补实验发现超表达Zm00001d016902能够回复o18-1的突变表型。以上结果充分证明了Zm00001d016902即为O18基因。3.O18编码一个具有3,4-二羟基-2-丁酮-4-磷酸合成酶（3,4-Dihydroxy-2-butanone-4-phosphate synthase,DHBPs）和三磷酸鸟苷（GTP）环水解酶（GTP cyclohydrolase Ⅱ,GCH Ⅱ）双功能团的RIBA1蛋白,命名为ZmRIBA1,该蛋白起始核黄素生物合成途径中底物5-磷酸核酮糖和GTP的第一步反应;亚细胞定位表明ZmRIBA1是一个叶绿体/质体定位的蛋白质。时空表达分析表明,ZmRIBA1组成型表达,在营养器官和生殖器官中均有表达。4.全基因组分析发现ZmRIBA1在玉米中有4个同源基因。通过对其关键催化位点上的氨基酸序列比对分析发现:ZmRIBA2在GCH Ⅱ功能团第二个已知的催化位点上发生R到Q的氨基酸变异;ZmRIBA3在多个保守的氨基酸位点发生变异;ZmRIBA4在DHBPS功能团中已知的5-磷酸核酮糖结合位点及第二个催化位点发生氨基酸变异。结合酵母和大肠杆菌突变体进行功能回补验证,证明了ZmRIBA1是玉米中唯一具有双功能活性的蛋白。5.通过亲水相互作用液相色谱-串联质谱（HILIC LC-MS/MS）方法测定18DAP籽粒中的核黄素含量,结果表明突变体o18中的核黄素含量仅为野生型的3%。利用体外培养对10DAP籽粒的突变体进行胚拯救实验发现,在含有0.1 mM核黄素的MS培养基培养20 d后突变体胚的萌发率为49%,而在不含核黄素的MS培养基则不能萌发;相比之下,野生型胚在含有核黄素和不含有核黄素的MS培养基上的萌发率没有显著差别。胚拯救的突变体幼苗移至不加核黄素的土壤正常光照条件下生长缓慢、且叶片出现褪绿白化表型,表明核黄素在叶绿体生物合成中具有重要功能。6.核黄素的衍生物黄素单核苷酸（FMN）和黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）的含量在o18-1中降低约70%,暗示其可能影响细胞内氧化磷酸化进程。BN-PAGE分析线粒体复合物结果表明,o18-1胚乳的复合物Ⅰ、Ⅲ和超级复合物Ⅰ+Ⅲ的丰度显著降低;胶内NBT活性染色发现,o18-1线粒体复合物Ⅰ和Ⅱ的活性急剧降低。蛋白质胶内黄素化检测发现,复合物Ⅱ的核心亚基SDH1中FAD介导的黄素化水平在o18-1显著低于野生型。透射电镜分析发现o18-1胚乳中线粒体结构异常。靶向代谢组分析结果表明,突变体籽粒中三羧酸循环途径受到影响,而糖酵解水平代偿性的提高。这些结果表明,核黄素通过直接影响线粒体复合物Ⅰ和Ⅱ的功能调控胚乳细胞能量供应及其发育分化。7.通过流式细胞技术（flow cytometry,FCM）对胚乳细胞分裂进程分析表明,突变体胚乳细胞停滞在有丝分裂和核内复制细胞周期的G1/S期。Western blotting分析表明,o18-1胚乳细胞中G1/S期监测点关键蛋白CDKA;1和RBR1丰度明显低于野生型。有趣的是,RT-qPCR分析发现,与野生型相比,S期的组蛋白及细胞周期相关基因表达水平在o18-1中显著上调,表明细胞周期存在负反馈调控机制。8.利用H3K4me3抗体检测发现,o18-1中H3K4me3蛋白水平高于野生型;CHIP-qPCR结果表明H3K4me3修饰在细胞周期相关基因中富集。这些结果表明,o18细胞周期基因的表达上调与H3K4me3水平的升高相关,可能依赖于植物中LSD1同源蛋白的活性下降。9.O18与籽粒赖氨酸含量的单倍型关联分析表明,O18在317份自然群体材料中可以被分为四种单倍型;Hap4赖氨酸含量较Hap1/Hap2高出11.5%,且差异达到极显著水平(P=5.07×10-7),表明Hap4可以作为赖氨酸含量的最优单倍型,同时也说明SNP4118是一个与玉米赖氨酸积累相关的关键位点。10.本研究还发现O18在拟南芥中过表达可增加核黄素含量,通过甘露醇模拟渗透胁迫发现O18在拟南芥中过表达可以增强其抵抗渗透胁迫的能力。