中国农业大学贺岩/谭伟明/李溱科研团队揭示玉米亚硫酸盐还原酶中的天然SNP影响硫同化过程

2021年7月13日，中国农业大学贺岩教授、谭伟明副教授、李溱副教授等科研团队在著名学术期刊New Phytologist发表题为“A natural SNP variant in sulfite reductase influences sulfur assimilation in maize”的研究论文。本研究证明了亚硫酸盐还原酶( SiR )蛋白丰度的自然变异受到顺式单核苷酸多态性(SNP)的控制。SNP可能会通过改变SiR RNA二级结构进而影响了翻译效率，最终改变了硫同化过程。

研究背景

硫是氨基酸、酶辅因子、铁硫团、脂质和多糖的重要成分，是所有生物体生存所必需的。植物主要以硫酸盐的形式吸收土壤中的微量营养元素硫，然后将其同化为各种有机化合物。虽然硫同化的生化途径是已知的，但遗传差异如何导致硫同化的自然变异仍然知之甚少。

研究结果

1. ZmSiR的遗传多态性与其自身的蛋白质丰度显著相关

亚硫酸盐还原酶ZmSiR（Zm00001d038625）基因在玉米基因组中只有一个拷贝。为了阐明ZmSiR蛋白丰度自然变异的遗传结构，研究者在由70个近交系组成的玉米关联种群中进行了全基因组关联研究。分析结果显示ZMSiR的单核苷酸多态性(SNP)与其蛋白丰度的自然变异显著相关，这表明ZmSiR的遗传多态性可能对其自身的蛋白水平起到顺式调控作用。研究者进一步对61个玉米近交系中ZmSiR等位基因序列进行了分析，发现共有89个变异，其中位于69位的SNP69与ZmSiR蛋白丰度的关联最大。

为了检验蛋白质丰度的变化是否是由不同的ZmSiR转录引起的，研究者使用RNA-seq分析以及结合先前报道的ZmSiR蛋白丰度数据进行了ZmSiR的表达定量性状位点(eQTL)分析。结果显示ZmSiR区域周围的基因变异与mRNA水平没有任何显著的关联。因此，ZmSiR蛋白丰度的自然变异更有可能与转录后的调控有关。

2. SNP69与ZmSiR蛋白丰度的自然变异相关

为了确定调节ZmSiR表达的机制是在蛋白水平而不是在转录水平，研究者使用RegRNA2.0软件分析了SNP69对局部mRNA二级结构的影响。结果显示，SNP69处的C到G碱基的变化改变了mRNA 的二级结构，使其形成了一个长茎环结构。并且，从SNP69C到SNP69G的转变导致了翻译效率降低。接下来，研究者使用DMS外源处理RNA，证实了SNP69G等位基因能够形成稳定的茎环结构。

图 SNP69（C/G）对玉米SiR mRNA二级结构的影响

为了直接研究SNP69位点的C/G多态性对体内翻译效率的影响，研究者利用20-60%的线性蔗糖密度梯度计算了ZmSiR mRNA的翻译效率。实验结果显示，SNP69C自交系的翻译效率显著高于SNP69G。综上所述，SNP69多态性通过影响mRNA二级结构来影响ZmSiR的翻译活性，从而导致ZmSiR蛋白丰度的自然变异。

3. SNP69对硫同化过程中自然变异的影响

ZmSiR蛋白丰度的变化可能影响植物中的SiR的活性。为了对此进行验证，研究者在上述近交系中分离出蛋白质提取物，并对甲硫氨酸和谷胱甘肽的含量进行了检测。与ZmSiR蛋白丰度的变化一致，SNP69C近交系比SNP69G系的甲硫氨酸和谷胱甘肽水平明显更高一些。除了上述玉米幼苗材料以外，玉米粒中半胱氨酸、甲硫氨酸和谷胱甘肽的含量也出现了类似趋势。 

最后，研究者进行了群体遗传分析，表明SNP69C等位基因可能是在最初的玉米驯化后发生的变异，并随着玉米从热带到温带地区的传播而积累。 

结果和意义

本研究揭示了ZmSiR基因中的单核苷酸多态性 (SNP) 变异与玉米自然关联种群中的 SiR 蛋白丰度显著相关。证明了SNP69 处的 C 到 G 碱基的变化可能通过改变 mRNA 二级结构来抑制翻译活性，进而导致 ZmSiR 蛋白丰度和硫同化活性降低。该研究提供了证据表明ZmSiR外显子中的遗传多态性可以通过转录后机制影响蛋白质丰度，并且部分有助于硫同化的自然变异。这些发现为通过分子育种和工程改进具有适当硫营养水平的玉米品种提供了一个前瞻性目标。