优化焦磷酸硫胺素代谢提升作物产量与品质的新策略

《Nature Communications》：Optimizing thiamine pyrophosphate metabolism enhances crop yield and quality

　　《自然·通讯》发表一项突破性研究，针对全球粮食安全挑战，研究人员聚焦维生素B1活性形式——焦磷酸硫胺素(TPP)代谢调控机制。通过定位玉米穗长QTL qKB6.2a并克隆关键基因ZmTPK2，发现该基因通过精确调控TPP水平协调三羧酸循环、卡尔文循环等核心代谢通路。研究证实外源喷施0.04% TPP可使玉米、水稻、油菜增产最高达9.8%，为作物代谢工程和绿色增产提供新途径。

　　

随着全球人口持续增长和气候变化加剧，粮食安全面临严峻挑战。如何在有限耕地条件下实现作物产量的跃升，成为现代农业科学的核心命题。玉米作为世界主要粮食作物，其穗部性状直接决定最终产量，其中穗长更是影响籽粒数量的关键因素。然而，调控穗长形成的遗传基础和代谢机制尚未完全阐明。

近期，《自然·通讯》发表了华中农业大学严建兵团队的重要研究成果。研究人员从玉米穗长数量性状位点(QTL) qKB6.2a入手，通过精细定位发现该位点包含一个调控穗部发育的关键基因ZmTPK2。该基因编码焦磷酸硫胺素激酶2(TPK2)，是维生素B₁活性形式——焦磷酸硫胺素(TPP)生物合成的关键酶。TPP作为重要辅酶，参与三羧酸(TCA)循环、磷酸戊糖(PPP)途径和卡尔文循环等核心代谢过程，但其在作物产量形成中的具体作用机制仍有待探索。

为解析研究技术路径，作者团队主要运用了以下关键技术：首先采用图位克隆策略结合异质近交系群体将qKB6.2a精细定位于58.2 kb区间；通过CRISPR-Cas9基因编辑和过表达技术验证ZmTPK2功能；利用双荧光素酶报告系统分析启动子和顺式调控元件(CRE)变异；采用液相色谱-质谱联用(LC-MS/MS)检测能量代谢物和TPP含量；通过气体交换测量系统测定光合和呼吸速率；在多地开展田间试验评估农艺性状。

Map-based cloning of a major ear length QTL-qKB6.2a

研究团队前期在KUI3(短穗)和B77(长穗)构建的重组自交系中鉴定到8个穗长QTL，其中位于6号染色体的qKB6.2a解释18.92%的表型变异。通过构建近等基因系(NILs)，发现qKB6.2a^B77单倍型具有更长的花序分生组织(IM)(262.5 μm vs. 175.2 μm)和每行小花数(24.5 vs. 21.2)，最终导致穗长增加7.1%，单穗粒重提高9.0%。精细定位将候选区间缩小至58.2 kb，包含Zm00001d037915和Zm00001d037916两个基因，其中仅ZmTPK2(Zm00001d037916)在发育穗中表达存在显著差异。测序分析发现启动子区2个SNP和内含子区10个SNP及1个InDel，同时在上游41.8 kb处鉴定到一个与启动子通过染色质环互作的顺式调控元件(CRE)，该区域存在1个SNP和1个InDel变异。

Variants in the ZmTPK2 promoter and CRE independently contribute to the ear length variation

双荧光素酶报告系统验证表明，来自qKB6.2a^KUI3的启动子(pZmTPK2^KUI3)活性显著低于qKB6.2a^B77等位型。特别发现creZmTPK2^KUI3能增强pZmTPK2^KUI3的转录活性，而creZmTPK2^B77对相应启动子影响较小。点突变实验证实启动子区-362位(C/T)和-480位(A/G)以及CRE区T/C突变和AAAAT插入均影响调控活性。对201份玉米自交系进行单倍型分析，鉴定到4种单倍型，其中Hap1仅存在于现代玉米B77中，在玉米祖先种和地方品种中均未发现，表明该单倍型可能通过自然突变产生并具有育种潜力。

Optimized expression of ZmTPK2 is critical to increase ear length and yield

通过CRISPR-Cas9构建的tpk2-cr1和tpk2-cr2突变体穗长缩短0.43-0.84 cm，单穗行粒数减少1.29-1.45粒。而过表达株系中，TPK2-OE2~4(表达量10.3-18.7倍)穗长和产量性状显著提升，TPK2-OE1(6.8倍)和TPK2-OE6~7(25.9-29.6倍)则出现下降，表明ZmTPK2表达存在剂量依赖效应。自然群体中Hap1单倍型表达水平与TPK2-OE2相当，对应最长穗长，而多数材料未能达到最优表达水平，提示遗传改良潜力巨大。

ZmTPK2 regulates thiamine pyrophosphate biosynthesis

亚细胞定位显示ZmTPK2定位于细胞质，体外酶活实验证实其催化硫胺素合成TPP，K_m值为15.57 μM。在体检测发现长穗材料qKB6.2a^B77发育穗中TPP水平显著高于短穗材料，突变体TPP含量降低而过表达株系升高。外源喷施0.02%-0.06% TPP可完全挽救tpk2-cr1突变体的短穗表型，证明ZmTPK2通过调控TPP水平影响穗部发育。

ZmTPK2 participates in energy pathways to regulate kernel quality

代谢表型分析显示，tpk2-cr1和TPK2-OE7的光合和呼吸速率显著降低，而TPK2-OE2则增强。能量代谢组学发现突变体和高表达株系中丙酮酸、乙酰辅酶A、α-酮戊二酸等TCA循环中间产物以及磷酸戊糖途径代谢物水平紊乱。籽粒品质分析表明，适度表达(TPK2-OE2)提升糖类和氨基酸积累，使蛋白质含量增加1.1%；而表达失衡则导致营养成分下降。

Natural favorable haplotype of ZmTPK2 enhances grain yield

将qKB6.2a^B77与4个骨干自交系杂交，F₁代穗长增加4.3%-8.7%，产量提高7.4%-14.2%。在6.75万株/公顷密度下，杂种优势稳定表现。分子检测显示含有利单倍型的杂交种ZmTPK2表达水平较低，与近等基因系观察一致。

The application of TPP greatly increases yield in multiple plant species

外源0.04% TPP处理使玉米杂交种京科968、郑单958等穗长增加0.42-1.15 cm，产量提升4.5%-7.1%。在水稻黄华占、新两优9100等品种上增产6.7%-9.8%(633.3-866.7 kg/ha)。油菜青油8号和中油杂501的角果长度、种子大小和千粒重也显著提升，证明TPP处理的广谱有效性。

本研究首次揭示ZmTPK2介导的TPP代谢网络通过协调能量代谢途径调控作物产量的新机制。创新性发现发育穗部存在局部硫胺素合成能力，突破传统"源-库"运输认知。提出的TPP核糖开关反馈调控模型为理解维生素代谢稳态提供新视角。研究不仅鉴定出可用于分子育种的新型单倍型，还开发出外源TPP增产技术，为应对全球粮食安全挑战提供了代谢工程和农艺措施相结合的双重解决方案。该成果对实现作物高产优质协同提升、推动绿色农业发展具有重要理论与实践意义。