Nature Commun | 深圳大學(xué)劉宏濤團(tuán)隊(duì)揭示藍(lán)光信號(hào)調(diào)控玉米表皮蠟質(zhì)合成與UV-B耐受的分子機(jī)制

玉米是重要的糧食作物，其生長(zhǎng)常面臨高光強(qiáng)、高UV-B輻射脅迫。UV-B輻射會(huì)損傷玉米光合系統(tǒng)、破壞DNA穩(wěn)定性、造成ROS脅迫，近年來的極端高溫更加劇了高光、高紫外脅迫，造成減產(chǎn)甚至絕收。表皮蠟質(zhì)層是抵御UV-B損傷的第一道屏障，其合成及組分受到光照等環(huán)境信號(hào)的調(diào)控，但具體機(jī)制并不清楚。

隱花色素（CRYs）由光裂解酶進(jìn)化而來，是植物保守的藍(lán)光/UV-A受體，參與調(diào)控光形態(tài)建成、開花時(shí)間等發(fā)育過程。玉米多拷貝的CRY家族是否參與UV-B耐受或進(jìn)化出新的功能尚不明確。

近日，深圳大學(xué)劉宏濤教授團(tuán)隊(duì)在Nature Communications發(fā)表了題為Blue-light-enhanced interaction between ZmCRY1s and GL2 modulates epidermal wax composition in Zea mays的研究論文，闡明了玉米藍(lán)光受體ZmCRY1s通過結(jié)合蠟質(zhì)合成相關(guān)的BAHD家族?；D(zhuǎn)移酶GLOSSY2，而調(diào)控表皮蠟質(zhì)合成及UV-B耐受的機(jī)制，該研究首次揭示植物光受體可直接結(jié)合代謝酶而介導(dǎo)光信號(hào)迅速調(diào)控代謝過程，打破傳統(tǒng)認(rèn)知，為植物超長(zhǎng)鏈脂肪醛合成研究及作物抗逆育種提供全新思路。值得一提的是，此前劉宏濤教授團(tuán)隊(duì)與中科院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心張鵬研究員合作解析了ZmCRY1s- GLOSSY2蛋白復(fù)合體結(jié)構(gòu)，近期發(fā)表于Science Advances，為光信號(hào)傳遞的分子基礎(chǔ)提供直接證據(jù)。

玉米基因組含3個(gè)CRY1亞家族成員（ZmCRY1a/1b/1c）與1個(gè)ZmCRY2。劉宏濤教授團(tuán)隊(duì)借助CRISPR-Cas9構(gòu)建了ZmCRYs四突變體（cry-q），結(jié)合過表達(dá)材料分析發(fā)現(xiàn)ZmCRYs以功能冗余方式介導(dǎo)藍(lán)光信號(hào)抑制中胚軸伸長(zhǎng)，調(diào)控光形態(tài)建成。轉(zhuǎn)錄組分析顯示其誘導(dǎo)苯丙烷類、黃酮類、脂肪酸及蠟質(zhì)合成相關(guān)基因表達(dá)，這些通路均與紫外光UV-B耐受密切相關(guān)。表皮蠟質(zhì)檢測(cè)證實(shí)，藍(lán)光使表皮蠟質(zhì)總量增加1.86倍，C32伯醇提高4.56倍，并特異性誘導(dǎo)C32醛積累，且C32醛的積累依賴ZmCRYs。UV-B脅迫實(shí)驗(yàn)中，過表達(dá)ZmCRY1c的玉米耐受性更強(qiáng)，而cry-q突變體則高度敏感。

A、CRYs的進(jìn)化樹分析；B、ZmCRY1c-PHR的結(jié)構(gòu)；C、ZmCRYs共同參與藍(lán)光信號(hào)的光形態(tài)建成

ZmCRY1s如何調(diào)控蠟質(zhì)組分變化？以及非細(xì)胞核定位的ZmCRY1s（如ZmCRY1c）能否直接參與蠟質(zhì)合成過程？為解答這兩個(gè)核心疑問，團(tuán)隊(duì)通過酵母雙雜交（Y2H）篩選和免疫共沉淀結(jié)合質(zhì)譜（IP-MS）檢測(cè)，鑒定到蠟質(zhì)合成相關(guān)的BAHD家族?；D(zhuǎn)移酶GLOSSY2（GL2，可協(xié)助KCS6延伸C28鏈長(zhǎng)以上的超長(zhǎng)鏈脂肪酸，并能特異性促進(jìn)超長(zhǎng)鏈醛的積累）。藍(lán)光顯著促進(jìn)ZmCRY1s與GL2的相互作用，這一發(fā)現(xiàn)成為破解謎題的關(guān)鍵突破口。

生化與結(jié)構(gòu)解析顯示，藍(lán)光顯著增強(qiáng)ZmCRY1s與GL2的互作。ZmCRY1c的PHR結(jié)構(gòu)域（隱花色素中結(jié)合生色團(tuán)FAD、響應(yīng)光的核心區(qū)域）與GL2的特定區(qū)域直接結(jié)合，任一蛋白關(guān)鍵位點(diǎn)突變均破壞互作。且GL2影響互作的位點(diǎn)突變體表現(xiàn)出與GL2缺失類似的蠟質(zhì)缺陷表型，C32醛和C32伯醇含量顯著降低。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，ZmCRY1s與KCS6競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合GL2：黑暗中GL2與KCS6結(jié)合促進(jìn)脂肪酸碳鏈延長(zhǎng)；藍(lán)光下激活的ZmCRY1s競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合GL2，轉(zhuǎn)而促進(jìn)C32醛合成，改變蠟質(zhì)組分。

綜上所述，這一發(fā)現(xiàn)突破了光受體僅通過調(diào)控基因表達(dá)而調(diào)控植物生長(zhǎng)發(fā)育及代謝的傳統(tǒng)機(jī)制——光受體可直接與代謝酶互作參與代謝通路，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的快速傳遞與直接調(diào)控。這也啟發(fā)我們更多關(guān)注非細(xì)胞核定位光受體的功能，而人和動(dòng)物中光調(diào)控代謝產(chǎn)物的普遍現(xiàn)象，暗示可能存在類似的直接光調(diào)控代謝機(jī)制，為跨物種光信號(hào)調(diào)控研究開辟新方向。

A、ZmCRY1c-GL2結(jié)構(gòu)解析；B、ZmCRY1c與KCS6競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合GL2的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)（二者在GL2上的結(jié)合界面重疊度達(dá)78%）；C、ZmCRY有助于抵抗紫外線對(duì)光合系統(tǒng)的損傷；D、ZmCRYs提高玉米的紫外抗性；E、ZmCRYs調(diào)控蠟質(zhì)合成、提高玉米紫外抗性的機(jī)制

該研究的科學(xué)價(jià)值與創(chuàng)新意義尤為突出：其一，突破傳統(tǒng)調(diào)控范式，首次發(fā)現(xiàn)植物光受體可直接結(jié)合代謝酶調(diào)控代謝過程，打破了光信號(hào)通過調(diào)控基因表達(dá)而調(diào)控代謝的經(jīng)典框架，為理解光信號(hào)如何快速、精準(zhǔn)調(diào)控植物代謝提供了全新范式；其二，破解領(lǐng)域核心謎題，明確ZmCRY1s-GL2直接互作介導(dǎo)C32醛積累的分子機(jī)制，為植物超長(zhǎng)鏈脂肪醛合成這一長(zhǎng)期未決的研究難題提供了關(guān)鍵線索；其三，賦能作物抗逆育種，揭示的ZmCRY1s-GL2調(diào)控模塊，為改良玉米等作物的UV-B耐受性提供精準(zhǔn)靶點(diǎn)，為高溫、高光、強(qiáng)紫外輻射地區(qū)培育穩(wěn)定高產(chǎn)品種培育提供技術(shù)支撐，有效應(yīng)對(duì)全球氣候變化帶來的農(nóng)業(yè)挑戰(zhàn)。

深圳大學(xué)趙志偉副研究員、中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心博士后馮帆、劉亞琪及副研究員劉亞文為論文共同第一作者，劉宏濤研究員為通訊作者。該研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。

https://www.nature.com/articles/s41467-025-67587-7

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adz0136