玉米是重要的糧食作物。隨著全球氣候變暖的加劇，極端高溫熱害等頻繁發(fā)生，給玉米生產(chǎn)帶來嚴重影響。目前，國內外對于玉米耐熱基因的克隆和功能研究相對有限，只有少數(shù)幾個基因的功能被解析。熱激轉錄因子HSF家族，作為植物熱脅迫反應的關鍵轉錄因子，在玉米應答高溫脅迫中的作用機制仍然未知。

 

　　為了鑒定玉米核心耐熱轉錄因子，中國科學院植物研究所研究員張梅團隊構建了熱脅迫轉錄組圖譜。共表達網(wǎng)絡分析揭示了HSF和ERF家族顯著富集在“熱響應”類別的模塊中，進一步鑒定到了核心熱激轉錄因子ZmHSF20。為了確定ZmHSF20的功能，研究人員創(chuàng)制了Zmhsf20缺失突變體和過表達株系。與野生型相比，高溫脅迫下，ZmHsf20過表達株系對高溫更加敏感，而Zmhsf20突變體玉米耐熱性增強，這表明ZmHSF20負調控玉米耐熱性。

 

　　為了進一步探究ZmHSF20調控玉米耐熱性的分子機制，研究人員鑒定到ZmHSF20下游基因纖維素合成酶基因ZmCesA2和熱激轉錄因子ZmHsf4，發(fā)現(xiàn)ZmHSF20對ZmCesA2和ZmHsf4的表達具有抑制作用，而ZmHSF4和ZmCesA2則具有轉錄激活表達的調控關系。Zmhsf4突變體對熱脅迫更加敏感，過表達ZmCesA2和ZmHsf4則導致耐熱性增加。研究進一步通過創(chuàng)建Zmhsf20-1Zmhsf4-1雙突突變體，證實在熱脅迫反應中ZmHSF4在ZmHSF20下游發(fā)揮作用。研究結果表明，Zmhsf20突變體具有更強的耐熱性可能是ZmCesA2和ZmHsf4上調表達所致。此外，通過細胞超微結構觀察，研究發(fā)現(xiàn)Zmhsf20突變體和ZmHSF4過表達株系的細胞壁相對野生型在高溫條件下具有更好的穩(wěn)定性。同時，ZmHSF20通過影響ZmCesA2的表達協(xié)同調控了細胞壁合成相關基因ZmPAL1等的轉錄水平參與細胞壁建成?；谏鲜鲅芯拷Y果，研究人員提出了以ZmHSF20為核心的玉米高溫脅迫響應模型：在Zmhsf20突變體中，ZmHsf4和ZmCesA2的表達相對在野生型中明顯提升，ZmHSF4進一步促進ZmCesA2的表達，從而增加玉米的纖維素含量和細胞壁相關基因的表達，影響細胞壁的穩(wěn)定性，增強玉米的耐熱性。

 

　　該研究闡明了ZmHSF20-ZmHSF4-ZmCesA2協(xié)同調控玉米耐熱性的機制，揭示了纖維素合成和耐熱性之間的關系，為提高玉米耐熱性提供了基因資源，為創(chuàng)制耐性品種提供了新途徑。

 

　　近日，相關成果發(fā)表在《植物細胞》（The Plant Cell）上。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃的支持。