DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-67634-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41526346
تاريخ النشر: 2026-01-12
المؤلف: Xiao Liu وآخرون
الموضوع الرئيسي: أبحاث البيولوجيا الجزيئية للنباتات
نظرة عامة
في هذا القسم، يحقق المؤلفون في دور كينازات شبيهة المستقبلات ZmERECTA1 (ZmER1)، ZmER2، وZmER1-like (ZmERL) في نشاط الميرستيم في الذرة وهندسة النبات، خاصة فيما يتعلق بالصفات المرتبطة بالعائد. يتم تنظيم هذه الكينازات بواسطة عوامل ربط شبيهة بعوامل نمط البشرة (ZmEPFL) ضمن مسار الإشارة CLAVATA-WUSCHEL (CLV-WUS). تكشف الدراسة أن مستقبلات ZmER تعمل بشكل متكرر، حيث يعد ZmER1 المنظم الرئيسي. تظهر الطفرات التي تفتقر إلى ZmER1 بنية مضغوطة، وزيادة في حجم الميرستيم الزهري (IMs)، وزيادة في عدد صفوف الحبوب (KRNs)، بينما تظهر الطفرات ذات الترتيب الأعلى أنماطًا ظاهرة أكثر وضوحًا.
بالإضافة إلى ذلك، توضح الأبحاث أن ZmER1 يرتبط بخمسة ببتيدات EPFL تؤثر بشكل جماعي على تطوير الأذن. من الجدير بالذكر أن تعبير ZmWUS1 يرتفع في طفرات ZmER، ويمكن أن تخفف الطفرات في ZmWUS1 جزئيًا من ظاهرة IM المتضخمة التي لوحظت في طفرات ZmER1. كما أنشأ المؤلفون أليلات ضعيفة لـ ZmER1 تعزز صفات العائد، مثل زوايا الأوراق المنخفضة وزيادة KRN. تسهم هذه النتائج في فهم أعمق لإشارات ER-EPFL في تطوير الميرستيم في الذرة وتبرز الأهداف الجينية المحتملة لتربية أصناف الذرة عالية العائد، استجابةً للطلب العالمي المتزايد على الغذاء، والعلف، والوقود الحيوي.
طرق البحث
في هذه الدراسة، استخدم الباحثون تحرير الجينات بواسطة CRISPR/Cas9 لإنشاء طفرات Zmer من خط HiII في منشأة تحويل النباتات بجامعة ولاية أيوا وطفرات Zmepfl من خلفية KN5585 في شركة وييمي للتكنولوجيا الحيوية. تم عزل طفرات محددة، بما في ذلك Zmer1 D295N، Zmer1 A369T، وZmwus1 w187*، من فحص M3 للذرة B73 المعالجة بـ EMS، وتم تسجيلها في قاعدة بيانات الذرة EMS كـ EMS4-13a82f، EMS4-089b7b، وEMS3-022073، على التوالي.
لأغراض التقييم الظاهري، تم زراعة نباتات الذرة في ظروف حقلية طبيعية في تشينغداو وساينا، الصين. بالإضافة إلى ذلك، تم إجراء تجارب مختبرية تحت ظروف يوم طويل محكومة (14 ساعة ضوء/10 ساعات ظلام) في بيئة دفيئة، مما يضمن معايير نمو متسقة لتقييم صفات الطفرات.
النتائج
تظهر نتائج الدراسة أن عمليات الإزالة الجينية بواسطة CRISPR/Cas9 لجينات ZmER في الذرة تؤدي إلى تغييرات كبيرة في هندسة النبات، مما يبرز دور ZmER1. كشفت التحليلات أن طفرات ZmER1 أظهرت ظاهرة مضغوطة تتميز بانخفاض ارتفاع النبات والأذن، وتقليل المسافات بين العقد، وانخفاض أبعاد الأوراق. بالمقابل، لم تظهر الطفرات الفردية لـ ZmER2 وZmERL، وكذلك طفراتها المزدوجة، تغييرات ملحوظة في هذه الصفات. ومع ذلك، فإن وجود طفرات ZmER2 أو ZmERL في خلفيات ZmER1 زاد من حدة البنية المضغوطة، مما يشير إلى علاقة وظيفية متكررة ولكن غير متساوية بين هذه الجينات.
بالإضافة إلى ذلك، قيمت الدراسة تأثير هذه الطفرات على تطوير الميرستيم القمي للبراعم (SAM). أظهرت الطفرة الفردية لـ ZmER1 زيادة في عرض SAM وانخفاض في الارتفاع، بينما لم تؤثر ZmER2 بشكل كبير على حجم SAM. أظهرت الطفرات المزدوجة زيادة أكبر في عرض SAM، مما يعزز الدور الرئيسي لـ ZmER1 في تنظيم تطوير SAM. أكدت تحليلات التعبير أن جميع جينات ZmER الثلاثة كانت معبرة في مجالات متميزة من قمة البراعم، مع إظهار ZmER1 لأعلى مستويات التعبير. أثبتت التحقق الوظيفي من خلال دمج ZmER1 مع بناء miniTurbo-YFP نجاح التكامل في ظاهرة القزامة في طفرات ZmER1، مما يدعم الدور المحوري للجين في هندسة وتطوير الذرة.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم التحقيق في أدوار جينات ZmER في تطوير الأذن والميرستيم الزهري (IM) في الذرة، مما يكشف أن ZmER1 ضروري لتنظيم هندسة الأذن وحجم IM، بينما توفر ZmER2 وZmERL وظائف متكررة جزئيًا. أظهرت طفرات Zmer1 تميزًا في الفاسيشن وزيادة في عدد صفوف الحبوب (KRN)، بينما حافظت الطفرات الفردية لـ Zmer2 وZmerL على هندسة الأذن الطبيعية. من الجدير بالذكر أن Zmer2 عززت العيوب الناتجة عن Zmer1، مما يشير إلى تأثير أقوى لـ ZmER2 في تطوير الأذن مقارنةً بـ ZmERL. أظهرت تحليلات RNA-seq أن ZmWUS1، وهو عامل نسخ رئيسي في تنظيم الميرستيم، كان مرتفع التعبير في طفرات Zmer، مما يشير إلى أن وظيفة ZmER1 في تطوير IM تتم من خلال ZmWUS1.
بالإضافة إلى ذلك، حددت الدراسة خمسة ببتيدات EPFL كعوامل ربط لـ ZmER1، مع اختلاف في قوة الارتباط، مما يشير إلى تفاعل معقد يؤثر على حجم الميرستيم وهندسته. أبرز التحليل الجيني أن ZmWUS1 ضروري لظاهرة IM المتضخمة التي لوحظت في طفرات Zmer1، بينما تكون البنية المضغوطة لـ Zmer1 مستقلة إلى حد كبير عن ZmWUS1. علاوة على ذلك، تشير تحديد الأليلات الضعيفة لـ ZmER1 التي تحسن صفات العائد دون العواقب الظاهرة الشديدة للأليلات الفارغة إلى إمكانية التلاعب الجيني لتعزيز عائد الذرة في ظروف الزراعة عالية الكثافة. بشكل عام، تؤكد هذه النتائج على أهمية إشارات ZmER في تطوير الذرة وإمكانياتها في تحسين المحاصيل.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-67634-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41526346
Publication Date: 2026-01-12
Author(s): Xiao Liu et al.
Primary Topic: Plant Molecular Biology Research
Overview
In this section, the authors investigate the role of receptor-like kinases ZmERECTA1 (ZmER1), ZmER2, and ZmER1-like (ZmERL) in maize meristem activity and plant architecture, particularly in relation to yield-related traits. These kinases are regulated by EPIDERMAL PATTERNING FACTOR-like (ZmEPFL) ligands within the CLAVATA-WUSCHEL (CLV-WUS) signaling pathway. The study reveals that ZmER receptors function redundantly, with ZmER1 being the primary regulator. Mutants lacking ZmER1 exhibit compact architecture, enlarged inflorescence meristems (IMs), and increased kernel row numbers (KRNs), while higher-order mutants show even more pronounced phenotypes.
Additionally, the research demonstrates that ZmER1 binds to five EPFL peptides that collectively influence ear development. Notably, ZmWUS1 expression is upregulated in ZmER mutants, and mutations in ZmWUS1 can partially mitigate the enlarged IM phenotype observed in ZmER1 mutants. The authors also create weak ZmER1 alleles that enhance yield traits, such as reduced leaf angles and increased KRN. These findings contribute to a deeper understanding of ER-EPFL signaling in maize meristem development and highlight potential genetic targets for breeding high-yield maize varieties, addressing the growing global demand for food, feed, and biofuels.
Methods
In this study, the researchers utilized CRISPR/Cas9 gene editing to generate Zmer mutants from the HiII line at the Iowa State Plant Transformation Facility and Zmepfl mutants from the KN5585 background at Weimi Biotechnology Co., Ltd. Specific mutants, including Zmer1 D295N, Zmer1 A369T, and Zmwus1 w187*, were isolated from an M3 screen of EMS-mutagenized B73 inbred maize and are cataloged in the Maize EMS Database as EMS4-13a82f, EMS4-089b7b, and EMS3-022073, respectively.
For phenotypic assessments, maize plants were cultivated in natural field conditions in Qingdao and Sanya, China. Additionally, laboratory experiments were conducted under controlled long-day conditions (14-hour light/10-hour dark) in a greenhouse setting, ensuring consistent growth parameters for the evaluation of the mutants’ traits.
Results
The results of the study demonstrate that CRISPR/Cas9-mediated knockouts of the ZmER genes in maize lead to significant alterations in plant architecture, particularly highlighting the role of ZmER1. The analysis revealed that ZmER1 mutants exhibited a compact phenotype characterized by reduced plant and ear height, shortened internodes, and decreased leaf dimensions. In contrast, single mutants of ZmER2 and ZmERL, as well as their double mutants, did not show notable changes in these traits. However, the presence of ZmER2 or ZmERL mutations in ZmER1 backgrounds further intensified the compact architecture, indicating a redundant yet unequal functional relationship among these genes.
Additionally, the study assessed the impact of these mutations on shoot apical meristem (SAM) development. The ZmER1 single mutant displayed increased SAM width and reduced height, while ZmER2 did not significantly affect SAM size. The double mutants exhibited an even greater increase in SAM width, reinforcing the primary role of ZmER1 in regulating SAM development. Expression analysis confirmed that all three ZmER genes were expressed in distinct domains of the shoot apex, with ZmER1 showing the highest expression levels. Functional validation through a translational fusion of ZmER1 with a miniTurbo-YFP construct demonstrated successful complementation of the dwarf phenotype in ZmER1 mutants, further corroborating the gene’s pivotal role in maize architecture and development.
Discussion
In this study, the roles of ZmER genes in maize ear and inflorescence meristem (IM) development were investigated, revealing that ZmER1 is crucial for regulating ear architecture and IM size, while ZmER2 and ZmERL provide partially redundant functions. Zmer1 mutants exhibited pronounced fasciation and increased kernel row number (KRN), whereas Zmer2 and ZmerL single mutants maintained normal ear architecture. Notably, Zmer2 enhanced the defects caused by Zmer1, indicating a stronger influence of ZmER2 in ear development compared to ZmERL. RNA-seq analysis showed that ZmWUS1, a key transcription factor in meristem regulation, was upregulated in Zmer mutants, suggesting that ZmER1’s function in IM development is mediated through ZmWUS1.
Additionally, the study identified five EPFL peptides as ligands for ZmER1, with varying binding affinities, indicating a complex interaction that influences meristem size and architecture. The genetic analysis highlighted that ZmWUS1 is essential for the enlarged IM phenotype observed in Zmer1 mutants, while the compact architecture of Zmer1 is largely independent of ZmWUS1. Furthermore, the identification of weak alleles of ZmER1 that improve yield traits without the severe phenotypic consequences of null alleles suggests potential for genetic manipulation to enhance maize yield under high-density planting conditions. Overall, these findings underscore the importance of ZmER signaling in maize development and its potential applications in crop improvement.