雄性不育系是玉米杂交育种的核心资源，因此在分子层面理解玉米花药的发育过程尤为重要。目前对于玉米花药发育的研究主要集中在转录层面，且仅有少量研究对于减数分裂前的花药和成熟花粉粒进行了蛋白质组分析。但是由于蛋白质组技术检测灵敏度的限制，无法覆盖全基因组范围的翻译事件，因此需要更有效的方法检测花药基因的翻译情况。核糖体图谱分析作为目前全基因组翻译景观解析的重要手段，目前还尚未应用于玉米花药发育的相关研究中。此外，花药发育过程中的关键生物学过程仍然是理解花药发育过程的重要环节，其中花药的光合潜能已被少数研究证明，但是花药的实际光合能力仍然未知。

中国科学院植物研究所张梅研究团队对昌7-2自交系9个发育时期花药（包括0.5，1.0，1.3，1.5，2.0，2.5，3.0，4.0和5.0 mm花药）和成熟花粉粒的翻译组数据进行了系统分析，表明了花药在发育过程中存在大量的翻译调控事件。翻译调控使得关键花药基因的翻译效率提高，其中ZmSWEET15a和ZmSWEET15b编码两个糖转运蛋白，sweet15a/b双突变体产生了更多未被淀粉完全充盈的花粉粒，其比例高达23.6%，而sweet15a和sweet15b两个单突变体和野生型的花粉粒几乎完全可育。这些结果暗示了翻译调控对糖转运途径基因翻译水平的调节对花药发育有重要影响。

研究人员利用Ribo-seq数据，在玉米花药中鉴定到了1204个可翻译的非传统ORF。包扩761个来源于5’ UTR区的5’ ORF，175个来源于3’ UTR区的3’ ORF和268个来源于LncRNA的 ncORF。后续的荧光素酶报告系统证明了特定的5’ ORF可以抑制其所属基因mORF的翻译，而且这种抑制作用发生在翻译水平而并非转录水平。研究人员后续利用已发表的全长转录组数据，验证了52个ORF可能是基因在特定时期表达的转录本异构体，并用RT-PCR验证了基因Zm00001eb417050的3’ ORF可作为转录本异构体在花药中表达，进一步序列分析显示Zm00001eb417050_3’ORF编码肽段与已克隆的APV1位点编码的蛋白序列相似度在94%以上，且相似区段的三种突变（一个65个氨基酸残基的大片段缺失突变体和两个+1 bp的单碱基插入突变体）对应的植株均表现出雄性不育表型，表明了基因3’ UTR区的3’ ORF与花药的育性的潜在联系。

研究人员对于翻译组数据和转录组数据的分析都表明了光合途径相关基因在花药中的富集表达。花药叶绿体荧光检测表明花药有和玉米成熟叶片相当的光合潜力。但是其光系统I的电子传递速率明显低于成熟叶片。同时，花药Rubisco酶活性的检测暗示了花药的碳同化效率要远低于叶片。此外，该研究首次在玉米花药药室之间的连接组织表面和其临近区域观察到少量的开放气孔结构，这些气孔与玉米成熟叶片相似，都包含两个保卫细胞和两个副卫细胞。并且随后利用微量气体交换实验验证了花药可以以低于成熟叶片的净光合速率进行CO₂同化。

该研究绘制了首个玉米花药发育全时期的翻译图谱，证明了翻译调控事件在花药发育中的重要作用，完善了在花药发育过程中从遗传物质到蛋白质的三个环节的链接。对于基因组中5’ ORF和3’ ORF的功能研究表明了花药中基因调控的多样性，并为后续花药不育的研究提供了数据支持。同时，对于花药光合能力的检测表明了花药可以以较低的净光合速率进行光合作用，这为研究高等开花植物的生殖器官光合作用提供了新视角。总之，该研究为后续创制雄性不育突变体辅助育种提供了理论基础和数据支撑。

该研究成果于2月20日在线发表于国际学术期刊Advanced Science。植物所博士研究生王春雨、中国科学院成都生物研究所特别研究助理吴越超和河南农业大学教授王顺喜为该论文的共同第一作者，植物所张梅研究员、中国科学院成都生物研究所张韬研究员和河南农业大学吴刘记教授为论文共同通讯作者，张梅研究团队多位研究生和工作人员参加了此项研究。该研究得到了国家自然科学基金等项目的支持。

论文链接：http://doi.org/10.1002/advs.202523401

图：玉米花药发育十个时期的翻译组分析揭示了3‘ ORF与雄性不育之间的联系