近日，中国科学院植物研究所王柏臣研究团队在Plant Communications期刊上发表题为“ZmPEPCK2 enhances nutritional quality and yield potential by synchronizing carbon and nitrogen metabolism in maize kernels”的研究成果。中科院植物所已毕业博士研究生杨秀、副研究员晁青和已毕业博士研究生高志方为论文共同第一作者，王柏臣研究员为通讯作者。
研究团队通过对456个玉米进行全基因组关联分析，并结合104个自交系的候选区段关联分析，初步确定磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶（PEPCK2）与玉米产量、穗轴长度、氨基酸含量等多个重要农艺性状相关。为深入探究其功能，研究团队利用基因编辑技术敲除该基因后发现会导致胚胎致死，说明该基因对玉米发育至关重要。随后，研究人员通过RNA干扰技术降低其表达，并构建过表达株系，系统验证了该基因的功能。结果表明，过表达PEPCK2能显著增加穗轴长度、百粒重、籽粒产量及含氮量，实现碳氮含量同步提升；而降低其表达则出现相反表型。
进一步的组织表达分析显示，PEPCK2主要在玉米穗轴、花梗和胚乳基部转移层细胞中表达——这些部位正是光合碳氮同化物从母体“源”器官向籽粒“库”器官转运的关键门户。为验证其在物质转运中的作用，研究团队以过表达和RNAi株系为母本，周围种植十倍量的Mo17和B73作为父本进行随机开放授粉。实验结果明确显示，PEPCK2直接调控碳氮同化物从源器官向籽粒等库器官的转运效率。
通过生物化学、代谢组学与分子生物学等多角度分析，研究团队揭示了其作用机制：PEPCK2通过催化磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）生成草酰乙酸（OAA），从而连接三羧酸循环与糖异生途径。该酶如同一个“代谢泵”，将长途运输至籽粒的氨基酸“拉入”三羧酸循环，进而通过糖异生途径促进淀粉合成，同时增强了氨基酸向籽粒的转运，最终协同提升产量与氮含量。
玉米PEPCK2同时提高产量和总蛋白量
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