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人類通過涂抹“防曬霜”防紫外線，你聽說過玉米也有自己的“防曬霜”嗎？

近日，深圳大學(xué)生命與海洋科學(xué)學(xué)院院長、特聘教授劉宏濤團隊在《自然·通訊》發(fā)表研究論文，首次揭開了這一秘密：玉米體內(nèi)的藍光受體ZmCRY1s能感知藍光信號，通過直接結(jié)合蠟質(zhì)合成相關(guān)的BAHD家族?；D(zhuǎn)移酶GLOSSY2，進而調(diào)整表皮蠟質(zhì)“配方”與合成量，大幅提升玉米抗紫外能力。

該成果不僅解析了植物抗逆的新機制，更蘊含多重創(chuàng)新突破，為培育更耐曬的高光效玉米品種提供了關(guān)鍵靶點。劉宏濤教授團隊還與中國科學(xué)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《科學(xué)進展》，為光信號傳遞的分子基礎(chǔ)提供直接證據(jù)。

藍光受體：玉米的“防曬指揮家”

玉米是全球產(chǎn)量最高的糧食作物，它喜歡陽光，但也怕太曬。田間強烈陽光中的紫外線，尤其是UV-B，會損傷葉片光合系統(tǒng)、損傷DNA、造成ROS脅迫、降低產(chǎn)量。

不過，玉米有自己的“防曬霜”——葉片表面的表皮蠟質(zhì)層，能反射、吸收大部分紫外線。這層“防曬霜”的成分和厚度受光照調(diào)控，但光調(diào)表皮蠟質(zhì)的機制還是未解之謎。

正常玉米遇藍光，中胚軸（種子發(fā)芽時在土壤中伸長的部分，見光后伸長被抑制）會縮短，表皮蠟質(zhì)增厚同時伴隨成分變化。玉米感知藍光的“眼睛”中包含3個ZmCRY1（ZmCRY1a、ZmCRY1b、ZmCRY1c）和1個ZmCRY2。團隊通過基因編輯構(gòu)建“CRY全部失效”的玉米突變體（cry-q），再對比正常玉米和“視力更好的”CRY超表達玉米發(fā)現(xiàn)，正常玉米遇藍光中胚軸會縮短、增厚表皮蠟質(zhì)；而隨著藍光“視覺”能力的下降，cry-q材料不僅對藍光不靈敏，也極怕紫外線；CRY超表達玉米則獲得更強的“防曬力”。

更關(guān)鍵的是，藍光會讓玉米蠟質(zhì)中C32醛大量增加，C32醛是玉米蠟質(zhì)組分走向成熟的一個關(guān)鍵中間產(chǎn)物，且其積累依賴ZmCRY1s的“指揮”，突變體即便是見了藍光也很難合成C32醛。

分子搭檔：藍光下的“蛋白協(xié)作”

ZmCRY1s如何“指揮”C32醛生成呢？研究團隊找到了其“合作伙伴”——GLOSSY2（GL2）蛋白。

GL2本是合成蠟質(zhì)原料（超長鏈脂肪酸）的關(guān)鍵蛋白，黑暗中會與KCS6蛋白合作，合成超長鏈脂肪酸；而藍光激活ZmCRY1s后，會與KCS6競爭（二者在GL2上的結(jié)合界面重疊度達78%），“搶過”GL2形成新搭檔，轉(zhuǎn)而合成C32醛，讓蠟質(zhì)“配方”升級、防曬力倍增。

為看清這一過程，團隊還聯(lián)合張鵬研究員團隊解析了ZmCRY1s與GL2結(jié)合的2.8?三維結(jié)構(gòu)，如同拍下“蛋白手拉手”的高清照，證實了藍光對二者協(xié)作的關(guān)鍵作用，更揭示了競爭性結(jié)合的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

開辟全新視角

劉宏濤教授團隊長期聚焦“光調(diào)控植物發(fā)育及環(huán)境適應(yīng)機制”，此次成果進一步拓展了植物光信號調(diào)控的研究領(lǐng)域，也為深圳大學(xué)的農(nóng)業(yè)生物技術(shù)研究再添新彩。

這項研究實現(xiàn)了三重突破，為作物抗逆研究與實踐開辟了全新視角。

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，打破了光信號通過基因表達調(diào)控代謝的經(jīng)典框架，ZmCRY1s無需依賴轉(zhuǎn)錄環(huán)節(jié)，直接與GL2互作切換代謝流向，實現(xiàn)光信號到代謝反應(yīng)的快速、精準(zhǔn)傳遞，為理解植物環(huán)境適應(yīng)的高效調(diào)控機制提供了全新范式。這也帶來新的啟發(fā)，即人和動物中可能存在類似的光直接調(diào)控代謝的機制。

破解領(lǐng)域核心謎題。明確ZmCRY1s-GL2直接互作介導(dǎo)C32醛積累的分子機制，為植物超長鏈脂肪醛合成這一長期未決的研究難題提供了關(guān)鍵分子線索。

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，為高溫、高光、強紫外輻射地區(qū)培育穩(wěn)定高產(chǎn)品種提供技術(shù)支撐，有效應(yīng)對全球氣候變化帶來的農(nóng)業(yè)挑戰(zhàn)。

（研究團隊供圖）