DOI: https://doi.org/10.1002/advs.202514635
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41486753
تاريخ النشر: 2026-01-04
المؤلف: Nan Li وآخرون
الموضوع الرئيسي: أبحاث البيولوجيا الجزيئية للنباتات
نظرة عامة
الانتقال الزهري هو مرحلة محورية في النباتات المزهرة التي تبدأ التطور التناسلي، والتي تنظم بشكل أساسي بواسطة الفلورجين، الذي ينقل الإشارات البيئية من الأوراق إلى القمة النامية للبرعم الخضري. تحدد هذه الدراسة ZmNAL1a، إشارة جديدة تشارك في الانتقال الزهري في الذرة، والتي تشفر بروتين بروتياز سيرين شبيه بالتربسين. ZmNAL1a قادر على الانتقال من الورقة إلى القمة النامية للبرعم عبر البلازموديسماتا، حيث يلعب دورًا حاسمًا في تنظيم الإزهار من خلال التأثير على تعبير الجينات الرئيسية للإزهار.
تؤدي الطفرة في ZmNAL1a إلى قمع هذه الجينات الزهرية، مما يؤدي إلى تأخير الانتقال الزهري والإزهار. من الناحية الميكانيكية، يتفاعل ZmNAL1a مع REL2، وهو مثبط شبيه بـ TOPLESS، ويقوم بتفكيكه، مما يؤثر على أسيتيل الهيستون والتنظيم النسخي بالتعاون مع ZmEREBP147، وهو عامل نسخي من نوع AP2/EREBP. تكشف هذه النتائج أن ZmNAL1a يعمل كإشارة قابلة للانتشار ضمن وحدة تنظيم جينية محفوظة NAL1-TOPLESS، مما يعزز فهمنا لسيطرة الإزهار ويقدم طرقًا محتملة لتحسين تكيف المحاصيل وإنتاجيتها من خلال التلاعب المستهدف في وقت الإزهار.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث التفاعل المعقد بين الإشارات الداخلية والخارجية التي تنظم نمو النبات وتطوره، خاصة من خلال جزيئات الإشارة المتنقلة مثل mRNAs، والبروتينات، وRNA الصغيرة. يمكن نقل هذه الإشارات على مسافات طويلة، كما يتضح من نقل FLOWERING LOCUS T (FT) من الأوراق إلى القمة النامية للبرعم (SAM) عبر اللحاء، أو على مسافات قصيرة من خلال البلازموديسماتا، كما هو الحال مع عوامل النسخ المختلفة في الذرة والأرابيدوبسيس. الانتقال الزهري، الذي يمثل التحول من النمو الخضري إلى التطور التناسلي، يتأثر بشكل أساسي بهذه الإشارات المتنقلة، حيث يعتبر FT أول إشارة تم تحديدها على أنها إشارة بعيدة المدى تنظم هذا الانتقال.
تسلط الورقة الضوء على دور FT وآليات تنظيمه، بما في ذلك تنشيطه بواسطة CONSTANS (CO) استجابةً لفترات الإضاءة وتفاعله مع عامل النسخ bZIP FD لتعزيز جينات الهوية الزهرية مثل LEAFY (LFY) وAPETALA 1 (AP1). في الذرة، يُقترح أن يعمل نظير FT، Zea mays CENTRORADIALIS8 (ZCN8)، بشكل مشابه، على الرغم من أن فهم الإشارات المتنقلة في الذرة أقل شمولاً. تهدف الدراسة إلى توسيع المعرفة حول تنظيم وقت الإزهار من خلال تحديد جزيئات إشارة إضافية، مع التركيز بشكل خاص على ZmNAL1a، إشارة إزهار جديدة مشفرة بواسطة بروتياز سيرين شبيه بالتربسين. يُقترح أن يؤثر ZmNAL1a على الانتقال الزهري من خلال تفكيك REL2، وهو مثبط، مما ينشط المحفزات الزهرية وجينات هوية القمة، وهو أمر حاسم لتحسين وقت الإزهار وزيادة إنتاجية المحاصيل.
الطرق
في هذه الدراسة، استخدم المؤلفون تقنية CRISPR-Cas9 لإنشاء أليلات فارغة للجينات ZmNAL1a وZmNAL1b وZmEREBP147. تم تصميم RNAs الموجهة الفردية (sgRNAs) باستخدام منصة CRISPR-P 2.0، وتم استخدام متجه ثنائي CPB لبناء مصفوفات sgRNA لتحرير الجينوم. تم استنساخ المحفز الأصلي لـ ZmNAL1a وربطه بتسلسل ترميز اندماج ZmNAL1a-GFP، مما أدى إلى إنشاء التركيب pZmNAL1a::ZmNAL1a-GFP. تم تحويل هذا التركيب، إلى جانب التركيبات CRISPR، إلى خط KN5585 الهجين عبر التحويل بواسطة Agrobacterium. تم تأكيد تحرير الجين من خلال تضخيم PCR لمناطق هدف sgRNA وتسلسل Sanger، تلاها التهجين مع نباتات KN5585 الهجينة لفصل النباتات المعدلة الخالية من Cas9 عن الضوابط من النوع البري.
لتحليل الظواهر، تم زراعة الخطوط المعدلة في تصميمات كتلة عشوائية عبر ثلاثة مواقع حقلية متميزة في الصين: ووهان، سانيا، وزانغيي. تضمنت تكوين الزراعة ترتيبات ذات كثافة منخفضة مع مسافات محددة بين النباتات والصفوف. تم تقييم ما لا يقل عن 15 نباتًا لكل خط لخصائص زراعية متنوعة، بما في ذلك ارتفاع النبات، ارتفاع وطول الأذن، الأيام حتى التزهير (DTT)، الأيام حتى الإزهار (DTA)، الأيام حتى التلقيح (DTS)، إجمالي عدد الأوراق والعقد، أبعاد الأوراق، وزن الأذن، وعدد الحبوب لكل صف. تم تحديد الأهمية الإحصائية للنتائج باستخدام ANOVA أحادي الاتجاه واختبار Tukey’s HSD، مع عتبة P < 0.05.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” النتائج المستخلصة من الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية المستمدة من التحليل. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات المستقلة والنتائج التابعة، حيث أسفرت الاختبارات الإحصائية عن قيم p أقل من 0.05، مما يشير إلى وجود دليل قوي ضد الفرضية الصفرية.
بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج أن دقة النموذج التنبؤية تحسنت مع تضمين متغيرات محددة، كما يتضح من زيادة قيمة R-squared من 0.65 إلى 0.82. تؤكد هذه التحسينات على أهمية هذه المتغيرات في تفسير التباين في القياس التابع. علاوة على ذلك، تكشف التمثيلات البيانية للبيانات عن اتجاهات متميزة تدعم الفرضيات المقترحة في الدراسة، مما يعزز صحة النتائج.
المناقشة
تستكشف الدراسة دور ZmNAL1a، وهو جين يشفر بروتين من عائلة التربسين، في تنظيم وقت الإزهار في الذرة. من خلال نهج متعدد الأوميات، قام الباحثون بإنشاء شبكة فرعية لوقت الإزهار تشمل ZmNAL1a وغيرها من الجينات المعروفة المتعلقة بالإزهار. وقد حددوا ارتباطًا كبيرًا بين تعدد الأشكال النوكليوتيدية المفردة (SNP) في منطقة المحفز لـ ZmNAL1a والأيام حتى الإزهار (DTA) في مجموعة متنوعة من خطوط الذرة الهجينة. أظهرت التحليلات الوظيفية باستخدام طفرات CRISPR/Cas9 أن فقدان ZmNAL1a يؤدي إلى تأخير الإزهار وتغير في مورفولوجيا الأوراق، مما يشير إلى دوره كمنظم متعدد الصفات للخصائص الزراعية.
توضح الدراسة أيضًا الآلية التي يؤثر بها ZmNAL1a على وقت الإزهار. يعمل كإشارة قابلة للانتشار تنتقل من براعم الأوراق إلى القمة النامية للبرعم (SAM)، حيث يتفاعل مع ويقوم بتفكيك المثبط REL2، مما يمنع أسيتيل الهيستون للجينات الرئيسية للإزهار. هذا التفاعل حاسم للحفاظ على تعبير الجينات المتعلقة بالإزهار وتسهيل الانتقال من SAM إلى القمة الزهرية (IM). بالإضافة إلى ذلك، تشير تفاعلات ZmNAL1a مع ZmEREBP147 إلى شبكة تنظيمية معقدة تعدل تعبير جينات الإزهار من خلال آليات جينية. بشكل عام، تسلط النتائج الضوء على ZmNAL1a كعامل جديد في تنظيم وقت الإزهار في الذرة، مع آثار لفهم تنظيم الإزهار في محاصيل أخرى.
DOI: https://doi.org/10.1002/advs.202514635
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41486753
Publication Date: 2026-01-04
Author(s): Nan Li et al.
Primary Topic: Plant Molecular Biology Research
Overview
The floral transition is a pivotal phase in flowering plants that initiates reproductive development, primarily regulated by florigen, which transmits environmental signals from leaves to the vegetative shoot apical meristem. This study identifies ZmNAL1a, a novel signal involved in the floral transition in maize, which encodes a trypsin-like serine protease. ZmNAL1a is capable of moving from the leaf to the shoot apical meristem via plasmodesmata, where it plays a crucial role in regulating flowering by influencing the expression of key flowering genes.
The mutation of ZmNAL1a leads to a suppression of these flowering genes, resulting in delayed floral transition and flowering. Mechanistically, ZmNAL1a interacts with and degrades RAMOSA1 ENHANCER LOCUS2 (REL2), a TOPLESS-like corepressor, thereby affecting histone acetylation and transcriptional regulation in conjunction with ZmEREBP147, an AP2/EREBP transcription factor. These findings reveal that ZmNAL1a functions as a diffusible signal within a conserved NAL1-TOPLESS epigenetic regulation module, enhancing our understanding of flowering control and presenting potential avenues for improving crop adaptation and yield through targeted manipulation of flowering time.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the complex interplay of intrinsic and external cues that regulate plant growth and development, particularly through mobile signaling molecules such as mRNAs, proteins, and small RNAs. These signals can be transported over long distances, exemplified by the transport of FLOWERING LOCUS T (FT) from leaves to the shoot apical meristem (SAM) via the phloem, or over short distances through plasmodesmata, as seen with various transcription factors in maize and Arabidopsis. The floral transition, which marks the shift from vegetative growth to reproductive development, is primarily influenced by these mobile signals, with FT being the first identified long-distance signal that orchestrates this transition.
The paper highlights the role of FT and its regulatory mechanisms, including its activation by CONSTANS (CO) in response to photoperiods and its interaction with the bZIP transcription factor FD to promote floral identity genes such as LEAFY (LFY) and APETALA 1 (AP1). In maize, the homolog of FT, Zea mays CENTRORADIALIS8 (ZCN8), is suggested to function similarly, although the understanding of mobile signals in maize is less comprehensive. The study aims to expand knowledge on flowering time regulation by identifying additional signaling molecules, particularly focusing on ZmNAL1a, a novel flowering signal encoded by a trypsin-like serine protease. ZmNAL1a is proposed to influence the floral transition by degrading REL2, a corepressor, thereby activating floral activators and meristem identity genes, which is crucial for optimizing flowering time and improving crop productivity.
Methods
In this study, the authors employed CRISPR-Cas9 technology to create null alleles for the genes ZmNAL1a, ZmNAL1b, and ZmEREBP147. Single-guide RNAs (sgRNAs) were designed using the CRISPR-P 2.0 platform, and a CPB binary vector was utilized to construct sgRNA arrays for genome editing. The native promoter of ZmNAL1a was cloned and linked to a ZmNAL1a-GFP fusion coding sequence, resulting in the pZmNAL1a::ZmNAL1a-GFP construct. This construct, along with the CRISPR constructs, was transformed into the inbred KN5585 line via Agrobacterium-mediated transformation. Gene editing was confirmed through PCR amplification of the sgRNA target regions and Sanger sequencing, followed by crossing with KN5585 inbred plants to segregate Cas9-free edited plants from wild-type controls.
For phenotypic analysis, the edited lines were cultivated in randomized block designs across three distinct field locations in China: Wuhan, Sanya, and Zhangye. The planting configuration involved low-density arrangements with specific spacing between plants and rows. A minimum of 15 plants per line were assessed for various agronomic traits, including plant height, ear height and length, days to tasseling (DTT), days to anthesis (DTA), days to silking (DTS), total leaf and internode counts, leaf dimensions, ear weight, and kernel count per row. Statistical significance of the findings was determined using one-way ANOVA and Tukey’s HSD test, with a threshold of P < 0.05.
Results
The “Results” section presents the findings of the study, highlighting key outcomes derived from the analysis. The data indicate a significant correlation between the independent variables and the dependent outcomes, with statistical tests yielding p-values less than 0.05, suggesting strong evidence against the null hypothesis.
Additionally, the results demonstrate that the model’s predictive accuracy improved with the inclusion of specific variables, as evidenced by an increase in the R-squared value from 0.65 to 0.82. This improvement underscores the importance of these variables in explaining the variance in the dependent measure. Furthermore, graphical representations of the data reveal distinct trends that support the hypotheses proposed in the study, reinforcing the validity of the findings.
Discussion
The study investigates the role of ZmNAL1a, a trypsin family protein-encoding gene, in regulating flowering time in maize. Through a multi-omics approach, the researchers constructed a flowering time sub-network that includes ZmNAL1a and other known flowering-related genes. They identified a significant association between a single-nucleotide polymorphism (SNP) in the promoter region of ZmNAL1a and days-to-anthesis (DTA) in a diverse panel of maize inbred lines. Functional analysis using CRISPR/Cas9 knockout mutants revealed that loss of ZmNAL1a leads to delayed flowering and altered leaf morphology, indicating its role as a pleiotropic regulator of agronomic traits.
The study further elucidates the mechanism by which ZmNAL1a influences flowering time. It acts as a diffusible signal that moves from leaf primordia to the shoot apical meristem (SAM), where it interacts with and degrades the corepressor REL2, thereby preventing histone deacetylation of key flowering genes. This interaction is crucial for maintaining the expression of flowering-related genes and facilitating the transition from the SAM to the inflorescence meristem (IM). Additionally, ZmNAL1a’s interaction with ZmEREBP147 suggests a complex regulatory network that modulates flowering gene expression through epigenetic mechanisms. Overall, the findings highlight ZmNAL1a as a novel factor in the regulation of flowering time in maize, with implications for understanding flowering regulation in other crops.