科研成果

7月20日，河南大学生物学学科带头人宋纯鹏教授及其课题组在玉米哑铃形气孔形态建成的机制方面取得突破性进展，研究成果“A maize epimerase modulates cell wall synthesis and glycosylation during stomatal morphogenesis”发表在著名期刊Nature Communications上（DOI: 10.1038/s41467-023-40013-6）。

玉米是我国乃至世界上重要的粮食作物、经济作物和饲料作物，其生长发育需要大量的淡水资源，而水资源短缺是限制我国农业及国民经济发展的重要因素之一。提高植物水分利用效率（water-use efficiency, WUE）是世界粮食生产的重大战略课题。多项研究成果表明，通过调控气孔发育和气孔运动提高WUE，成为增强植物抗旱性的重要途径。禾本科植物以玉米为代表的哑铃形气孔具有更为精巧的形态、细胞壁结构和机械动力学特征，其在干旱和迅速波动变化的环境中，能够迅速有效地做出响应，进而增强禾本科植物的传播和多样化。因此，研究禾本科植物的气孔，了解气孔复合体的结构、发育过程及调控网络，将在培育或设计出更高效的气孔，提高水分利用效率，创制抗旱、耐热的农作物新品种方面有重要的应用价值。

本研究从两个玉米突变体库中筛选到气孔保卫细胞形态异常的突变体bizui3(bzu3)，其气孔保卫细胞在发育后期不能形变为哑铃形，而是呈天线状或棒状形态，使气孔呈关闭状态无法打开，导致在幼苗期死亡。通过对BZU3基因的克隆和功能解析证实，BZU3在哑铃形气孔形态建成过程中通过控制UDP-Glc/GlcNAc的稳态，在控制细胞壁合成和糖基化修饰上起着双重功能，为研究禾本科气孔独特形态建成的调控机制提供了新的思路。

宋纯鹏教授团队此前还利用单细胞核转录组技术（snRNA-seq）实现了对玉米表皮和叶基部的单细胞核分选，揭示了调控禾本科植物气孔发育和运动的信号网络。研究成果以“The maize single-nucleus transcriptome comprehensively describes signaling networks governing movement and development of grass stomata”为题，2022年发表在国际著名期刊The Plant Cell（DOI:10.1093/plcell/koac047）。该团队还报道了BZU2/ZmMUTE在玉米气孔复合体发育和控制临近细胞命运中的重要作用。研究部分结果以“BZU2/ZmMUTE controls symmetrical division of guard mother cell and specifies neighbor cell fate in maize”为题，2019年发表在国际著名期刊PLoS Genetics（DOI: 10.1371/journal.pgen.1008377）。

宋纯鹏教授团队长期从事提高作物水分高效利用效率，增强植物抗旱性研究。这些研究成果系统解析了玉米气孔复合体的发育调控机制，阐明了哑铃形保卫细胞的细胞壁塑造在植物抗旱性的进化优势，不仅对植物发育生物学研究做出了重要贡献，同时也为利用合成生物学技术创造既节水又有高光效的“智慧作物”(smart crops)奠定基础，具有重要的理论和应用价值。研究工作得到了国家自然科学基金、河南省高校科技创新团队计划项目和河南大学“双一流”学科经费的支持。

全文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-40013-6

https://doi.org/10.1093/plcell/koac047

https://doi.org/10.1371/journal.pgen.1008377