玉米籽粒发育
成熟玉米籽粒的结构
玉米籽粒的组成
成熟的玉米籽粒主要由以下三部分组成：
- 母体组织：包括种皮、胎座和花梗。种皮由珠被发育而来，起到保护种子的作用，并在种子的休眠和萌发中发挥重要作用。
- 胚：包含根分生组织、茎分生组织和5~6个小叶原基。胚根和小叶原基分别由胚根鞘和胚芽鞘包围，起到保护作用。
- 胚乳：是玉米籽粒中最大的部分，约占总重的85%，对玉米产量具有重要意义。胚乳储藏丰富的营养物质，为胚萌发提供营养来源。
胚乳的组织类型
成熟的玉米胚乳包含四种组织类型：
- 淀粉胚乳（Starchy endosperm）：主要储存淀粉，占玉米籽粒干物质的70%~75%。
- 糊粉层（Aleurone）：在种子成熟时，是唯一包含活细胞的胚乳结构，对种子的代谢和萌发具有重要意义。
- 胚乳基部传输层（Basal endosperm transfer layer, BETL）：在营养传输中起作用。
- 胚周围区域（Embryo surrounding region, ESR）：位于胚的周围，可能在营养供给和保护中发挥作用。
玉米籽粒的营养成分
- 淀粉：占玉米籽粒干物质的70%~75%，主要储存在胚乳中。
- 蛋白质：占10%，其中70%为贮藏蛋白，主要储存在胚乳中。根据溶解度，胚乳蛋白可分为清蛋白、球蛋白、谷蛋白和醇溶蛋白四类。醇溶蛋白（玉米蛋白zein）占贮藏蛋白的60%以上。
- 油脂：占3.5%~6%，大部分在胚中积累。
胚乳的重要性
胚乳在成熟玉米籽粒中占据主导地位，不仅因为其在重量上的比例，还因为它储存了大部分的营养物质，包括淀粉和蛋白质，这些对于种子的萌发和早期生长至关重要。
玉米胚的发育
早期胚胎发育的形态建成
在单子叶和双子叶植物中，早期胚胎发育包括三个主要的形态建成过程：
- 顶-基部极性建立（Apico-basal polarity）：这是胚胎发育中第一个出现的极性，决定了胚胎的顶部和底部。
- 表皮分化：表皮细胞开始分化，形成植物的保护层。
- 茎尖和根尖分生组织形成：这些分生组织是植物生长点，负责植物的进一步发育和生长。
玉米胚的发育阶段
玉米胚的发育可以分为四个阶段：
- 原胚期（Proembryo-stage）：发生在授粉后3~5天，顶细胞和基底细胞进行有丝分裂，但维持径向对称发育。在原胚末期，胚形成一个几乎没有分化的棒状结构。
- 转换期（Transition-stage）：在授粉后6~8天，原胚的径向对称发育转变为双侧对称性发育。此时，围绕胚胎的一层单层外周细胞形成原表皮层，胚柄形态清晰，茎分生组织区域开始形成。
- 胚芽鞘时期（Coleoptilar-stage）：在授粉后8~10天，胚芽鞘原基开始从胚近轴区突起，盾片从胚的远轴侧突起，茎尖分生组织和根尖分生组织分化形成并开始发育。
- 叶原基时期（Leaf primordium）：12天后，胚芽鞘与盾片分离，在胚芽鞘下第一片叶原基形成，胚柄开始变短，成熟的胚最终形成多达五片叶原基。
玉米受精卵的第一次分裂
玉米受精卵的第一次分裂是不对称的，分裂方向垂直于珠孔/合点轴线，形成一个小的顶端细胞和一个较大的基底细胞。基底细胞随后转变成一个大的囊泡细胞。
胚的近轴和远轴面
在原胚期，胚建立近轴和远轴面，这是胚胎发育中的重要步骤，为后续的形态建成奠定基础。
胚的程序性细胞死亡（PCD）
在叶原基时期，胚柄发生程序性细胞死亡并开始变短，这是植物发育过程中的一种自然现象，有助于植物形态的塑造。
玉米胚乳的发育
胚乳 的早期发育包含三个主要的细胞学阶段：合胞体（Coenocyte）、细胞化（Cellularization）、分 化（Differentiation）
合胞体阶段（Coenocyte Stage）
- 时间：受精后的72小时内。
- 过程：初生胚乳核从近胚处起始，进行连续同步的有丝分裂，产生一个由数百个游离核组成的单细胞，即合胞体。
- 特点：受精极核前三次有丝分裂产生的八个细胞核在合胞体基部围绕胚胎的细胞质的平面上形成一个环，然后按照固定的模式向反足细胞方向迁移和重新定位，扩散到整个胚乳内侧，最终产生256~512个游离核。
细胞化阶段（Cellularization Stage）
-
时间：授粉后3~5天内。
-
过程：胚乳的细胞化由核表面形成的放射状微管系统启动，包括泡化阶段和分区阶段。
-
泡化阶段（Alveolation Stage）：
- 放射状微管系统从每个核的核膜向外延伸，形成中间区域，为每个细胞核划分出一个核质域。
- 细胞壁在相邻的核质域之间沉积，核质域沿垂直于中央细胞壁的轴线方向伸长。
- 微管系统重新排列成轴向系统，一端将细胞核锚定在中央细胞壁上，另一端在细胞核顶端排列成冠状系统。
- 成膜体在核质域边界逐渐形成，启动垂周细胞壁的形成，并引导垂周壁进一步向中央液泡方向生长，形成开放的管状结构。
- 细胞壁向心伸展后，引导非姐妹核间垂周壁生长的不定成膜体和引导平周分裂的中间区域成膜体交替出现，形成次级“肺泡”。
- 泡化过程一直持续到形成2~4层细胞层。
-
分区阶段（Partitioning Stage）：
- 通过分割剩余的中央液泡而发生。
- 最后一个次生小泡的垂周壁持续向胚乳中心延伸，直到它们与从不同位置延伸的另一个垂周壁接触，形成隔室。
- 垂周壁相互交汇形成的大隔室比初级小泡长，随后它们以一种组织较差的方式进行核分裂和平周壁的生长形成较小的细胞。
分化阶段（Differentiation Stage）
- 在细胞化完成后，胚乳细胞开始分化，形成不同的组织类型，如淀粉胚乳、糊粉层、胚乳基部传输层和胚周围区域。
胚乳细胞分化阶段
胚乳细胞分化阶段可以分为两个子阶段：分化早期和分化后期。
分化早期
在分化早期，胚乳细胞主要分化出四种细胞类型：
- 胚周围区（ESR）：由具有浓密细胞质的细胞组成，细胞内液泡非常小，是胚乳中最小的细胞之一，最初在整个胚周围明显，后来主要在胚柄部分突出。
- 未成熟淀粉胚乳（SE）：细胞较大且高度液泡化，占据胚乳的中央部分。
- 糊粉层（AL）：由胚乳边缘的第一轮泡化细胞分化而来，细胞相对较小且呈立方体形，细胞内形成多个明显的大液泡。
- 基底胚乳传递层（BETL）：位于胚乳的基部，毗邻母体胎座-合点区域，细胞稍长，细胞质致密，细胞壁还未进行内增生。
分化后期
在分化后期，除了形态结构上的变化外，还分化出三种新的细胞类型：
- 亚糊粉层（Subaleurone）：位于糊粉层正下方，形状和大小与糊粉层相似，但胞质密度稍低，充满了大的液泡、线粒体，仅有少量的蛋白体和淀粉粒。
- 传导区（CZ）：细胞非常细长，细胞核非常大，从胚乳基部向胚乳的中心部分延伸，可能起着运输营养物质的作用，胞质密度比相邻的BIZ和SE细胞低。
- 基底中间区（BIZ）：紧邻BETL上部的2~4层细胞，形态上明显区分于BETL，处于BETL和CZ细胞的中间状态，基因表达分析表明它们是三种不同细胞类型。
细胞形态和功能的变化
- ESR细胞：在分化后期变长，空泡化程度更高。
- 淀粉细胞核：大小从小细胞向积累贮藏化合物的较大的内层淀粉细胞逐渐增大。
- 糊粉层细胞：保持方形，小液泡变少，胞质致密并有脂类堆积。
- BETL细胞：明显变长，细胞壁内增生明显，质膜表面积增加，细胞质致密且含有大量液泡。
研究进展
- 籽粒结构和发育机制：通过对大量玉米籽粒突变体的研究，科学家们对玉米籽粒的结构和发育机制有了更深入的了解。
- 基因克隆和验证：利用突变体，科研工作者克隆并验证了众多调控籽粒发育的基因，包括：
- 淀粉合成相关基因
- Pentatricopeptide repeat（PPR）蛋白编码基因
- 玉米胚乳基底传递层（BETL）发育相关基因
- 生长素和信号转导相关基因
- 蛋白体和淀粉粒发育相关基因
突变体类型及其影响
这些基因的突变会导致玉米籽粒出现不同程度的发育缺陷，主要分为以下几种类型：
- 缺陷型籽粒（defective kernel，dek）突变体：籽粒发育不完全。
- 空果皮（empty pericarp, emp）突变体：胚和胚乳均不能发育。
- 胚特异性突变体（embryo-specific，emb）：影响胚的发育。
- 小粒突变体（small kernel，smk）：籽粒体积减小。
- 胚乳特异性突变体：
- 影响贮藏蛋白和淀粉生物合成的突变体（如opaque；floury）。
- 影响糊粉层分化和色素形成的突变体。
PPR蛋白的基本特征
- 结构：PPR蛋白由35个氨基酸的重复序列串联排列构成，具有简并性。
- 分类：PPR蛋白分为P型和PLS型两大类。
- P型：只含有35个氨基酸的典型P基序。
- PLS型：由P、L（35或36个氨基酸）和S（31或32个氨基酸）基序组成PLS三联体重复串联排列。PLS型蛋白的羧基末端有高度保守的E、E+或DYW结构域，进一步分为PLS、E、E+和DYW亚类。
PPR蛋白在植物中的功能
- 数量和功能：植物中PPR蛋白成员数量庞大，通常以非冗余的方式发挥功能，参与多种生物学过程，如光合作用、叶片发育、植物生长、种子发育、胁迫反应、花粉育性等。
- 定位：大多数PPR蛋白定位于线粒体或叶绿体。
PPR蛋白在玉米籽粒发育中的作用
- 影响：PPR蛋白的变异可以导致胚和胚乳发育缺陷，产生不同类型的突变体，如缺陷型籽粒（dek）、空果皮（emp）、胚特异性（emb）、小粒（smk）等。
- 叶绿体定位的PPR蛋白：通常导致胚胎发育缺陷，产生emb类型突变体。
- 线粒体靶向的PPR蛋白：突变会对胚和胚乳的发育造成不同程度的影响，产生多种类型的突变表型。
PPR蛋白的具体功能
- P型PPR蛋白：主要负责线粒体内含子的剪接，如Dek2、Emp8、Emp11等参与线粒体不同基因内含子的剪接。
- PLS型PPR蛋白：主要负责线粒体内含子的编辑，且每个基因通常可以对多个位点进行编辑。
其他PPR蛋白的功能
- PPR8522、EMB-7L和qKW9：这些PPR蛋白参与叶绿体RNA的转录、剪接和编辑。
BETL的功能
- 营养物质运输：BETL是母体向子代运输营养物质的入口，在籽粒灌浆过程中起着至关重要的作用。
BETL相关基因及其作用
-
ZmMRP1 (Myb-Related Protein-1)：
- 表达：在玉米BETL中特异性表达。
- 功能：作为BETL细胞特异性的转录激活因子，调节BETL-1、BETL-2、BETL-9等基因的表达，促进BETL细胞的分化并维持其形态建成。
-
ZmMn1：
- 编码：编码细胞壁转化酶INCW2。
- 定位：INCW2蛋白锚定在BETL细胞内增生细胞壁上。
- 功能：INCW2功能损失导致BETL中游离质外体己糖缺乏，胚乳不能获得充足的糖类，突变体粒重显著降低。
-
ZmSWEET4c：
- 功能：通过内增生的BETL细胞向胚乳转运葡萄糖和果糖。
- 影响：ZmSWEET4c功能缺陷导致胚乳灌浆严重不足，但胚能发育为正常植株。
-
ENB1：
- 编码：编码纤维素合酶5（ZmCESA5）。
- 表达：主要在胚乳基底传递层细胞中表达。
- 功能：ENB1功能受损导致BETL细胞壁内增生剧烈减少，BETL细胞向胚乳运输糖的功能受损，阻碍胚乳中淀粉的合成，并导致胚乳中淀粉过早被发育中的胚胎利用，产生胚乳分解的籽粒表型。
基因表达调控
- 糖信号调控：ZmMn1和ZmSWEET4c的表达很可能受BETL细胞中糖信号的调控，并进一步诱导ZmMRP1的表达。
研究意义
- BETL细胞内增生：ENB1的研究提供了BETL细胞内增生促进糖分向胚乳运输的直接证据。
- 籽粒灌浆：这些基因的功能对于理解BETL在籽粒灌浆过程中的作用至关重要，有助于揭示籽粒发育的分子机制。
总结
这段文字强调了BETL在玉米籽粒发育中的关键作用，以及ZmMRP1、ZmMn1、ZmSWEET4c和ENB1等基因在BETL细胞形态建成和功能中的重要性。这些基因的表达和功能对于BETL细胞的分化、细胞壁形成、糖分运输等过程至关重要，影响籽粒的灌浆和最终的粒重。对这些基因的研究有助于我们更好地理解植物种子发育的分子机制，为作物改良和农业生产提供理论基础。