近日，基因中心作物品質控製與多組學技術創新團隊在國際權威期刊Genome Biology（中科院生物學一區TOP，IF=9.2）在線發表題為“ZmAGA1 enhances seed germination through raffinose hydrolysis and ZmSnRK1α-mediated starch mobilization in maize”的研究論文。基因中心為第一完成單位，李文燕副研究員、黃文潔副研究員與華中農業大學金敏博士為共同第一作者；晏石娟研究員、華中農業大學嚴建兵教授與德國馬克斯·普朗克分子植物生理學研究所Alisdair R. Fernie教授為共同通訊作者。  

　　本研究聚焦玉米種子活力核心問題，發現棉子糖並非被動貯藏物，而是萌發早期的關鍵代謝信號樞紐。研究團隊充分發揮多組學技術平台的係統性優勢，采用“群體代謝組—mGWAS定位—空間代謝組與單細胞轉錄組整合—生化機製闡明”的四步遞進策略，層層深入揭示了棉子糖水解與澱粉動員之間的分子偶聯機製。在基因挖掘層麵，研究團隊利用CUBIC群體中棉子糖代謝物高達4.6至高達4.6至1388.2倍的群體變異幅度，通過mGWAS定位39個顯著sQTL位點，從6個功能候選基因中鎖定ZmAGA1（編碼堿性α-半乳糖苷酶）為核心靶標，該基因在胚中特異高表達，解釋約6%棉子糖含量變異。CRISPR-Cas9敲除證實：ZmAGA1缺失導致胚中棉子糖積累3.7–3.9倍，單糖供給延遲，萌發率下降10–12%，幼苗根長與苗長顯著縮短；TTC染色顯示強活力種子比例降低，表明ZmAGA1正調控玉米種子活力。在空間分辨代謝解析層麵，研究團隊運用優化的質譜成像技術，結合LCM-nanoLC-MS/MS組織特異性定性分析，首次在玉米種子中實現了棉子糖及其關聯可溶性糖的高分辨空間可視化。結果顯示：棉子糖富集於胚並隨萌發快速降解；葡萄糖和果糖在萌發早期（18–24 HAI）主要分布在胚乳，後期（36–48 HAI）則遷移富集於向胚，這一時空動態規律因ZmAGA1缺失而被顯著破壞，揭示棉子糖水解在跨組織糖轉運與能量分配中的核心樞紐地位。在細胞與分子機製層麵，單細胞核轉錄組成功捕獲44,777個細胞核，鑒定糊粉層為澱粉動員的執行單元，ZmAGA1敲除顯著抑製糊粉層ZmαAMY2/3表達及α-澱粉酶活性，致澱粉降解遲滯。進一步利用AlphaFold3結構預測、酵母雙雜交、BiFC、熒光素酶互補及Co-IP進行多重驗證，發現：ZmAGA1通過7對氫鍵直接結合能量感應激酶ZmSnRK1α，將其錨定於細胞質；該胞質錨定機製阻止ZmSnRK1α入核並與轉錄因子ZmMYBS1形成抑製複合物，從而保障ZmαAMY3的基礎轉錄。ZmAGA1功能缺失則觸發ZmSnRK1α核轉位→與ZmMYBS1結合形成複合物→抑製ZmαAMY3轉錄→澱粉動員延遲→能量供給不足的級聯效應。該工作首次提出“ZmAGA1–ZmSnRK1α–ZmMYBS1”級聯調控通路，突破了將棉子糖僅視為滲透保護劑或靜態貯藏物的傳統認知，將其重新定義為耦合胚內即時供能與胚乳長效儲能的“動態代謝信號樞紐”，為理解種子萌發過程中糖信號與能量代謝的時空協同調控提供了全新理論範式。

　　該成果是基因中心作物品質控製與多組學技術創新團隊在玉米代謝調控領域的又一標誌性進展。團隊自2020年組建以來，堅持生物學問題導向與技術自主創新雙輪驅動，已建成了覆蓋代謝物精準檢測、空間可視化成像、單細胞分辨率解析、蛋白質修飾組學及蛋白質互作組學分析的全維度多組學技術鏈，形成了“技術平台—基礎研究—產業應用”協同發展的特色科研格局。本研究鑒定出的ZmAGA1–ZmSnRK1α–ZmMYBS1調控模塊，不僅更新了種子活力形成中“糖信號—能量動員”級聯調控的理論基礎，更為後續利用分子設計育種手段培育適應不同播種環境（如低溫、幹旱）的廣適性高活力玉米品種奠定了關鍵基因資源。團隊後續將深入解析該通路響應環境脅迫的感知與轉導機製，加速從實驗室發現到田間應用的全鏈條貫通。

　　本研究得到廣東省國際合作基地項目、必威betways 國際合作培育專項、廣東省自然科學基金等聯合資助。  

　　原文鏈接：https://link.springer.com/article/10.1186/s13059-026-04208-6

棉子糖代謝通路的基因挖掘與多組學功能解析