Science Bulletin | 万向元团队发现ZmMS30/IPE2复合体调控脂肪酸与苯丙素类物质代谢保障玉米花粉外壁足层形成
花粉外壁是植物雄配子体的关键结构，它不仅赋予花粉机械强度和化学惰性，保护花粉免受紫外线、微生物及物理损伤，还决定了花粉与柱头的物种特异性识别。花粉外壁由外层的顶盖层、柱状层及内层的足层（foot layer）和endexine构成，核心成分均为孢粉素。其中，足层对维持花粉外壁完整性、稳定性及花粉寿命至关重要。近年来，通过改进的裂解方法及核磁共振等技术，研究者已在石松和油菜中对孢粉素的化学组成和结构进行了解析和推演，但花粉外壁足层的精确化学组成、其与外壁其他结构间的成分差异以及足层形成的分子机制，仍是植物生殖生物学领域的未解难题。
2026年5月28日，William威廉英国万向元团队在Science Bulletin（IF: 21.1）在线发表题为“GDSL lipase complex ZmMS30/IPE2 coordinates fatty acid and phenylpropanoid metabolism to ensure exine foot layer formation in maize”的研究论文。该研究发现两个GDSL脂肪酶ZmMS30与ZmIPE2在花药发育特定时期共表达，形成异源二聚体复合物，通过协同调控脂肪酸与苯丙素类物质代谢，控制玉米花粉外壁足层的形成。该研究首次揭示了足层形成的生化机制，并为创制玉米雄性不育育种/制种母本材料提供了新靶点。
前期研究发现，ms30和ipe2单突变体均表现为花粉外壁足层不连续的完全雄性不育表型，为足层发育研究提供了理想遗传材料。研究团队通过创制ms30/ipe2双突变体及表型分析发现，ms30/ipe花粉外壁的足层同样表现出不连续表型，且完全雄性不育，暗示ZmMS30和ZmIPE2可能在同一通路中协同发挥作用。分析表明，ZmMs30在花药发育S7–S9期高表达，而ZmIPE2在S8b–S9期表达。免疫组化和荧光观察显示，ZmMS30-GFP在S8a–S9期的绒毡层中特异性表达，ZmIPE2-GFP在S8b–S10期的绒毡层和小孢子中均有表达，且两者均定位于内质网。酵母双杂交、免疫共沉淀和双分子荧光互补实验证实，ZmMS30与ZmIPE2存在物理互作，形成GDSL脂肪酶复合体。酶动力学分析显示，ZmMS30/IPE2复合体对底物4-硝基苯乙酸的亲和力（Km）显著高于单一蛋白，表明复合体形成增强了底物催化效率（图1）。
图1. ZmMS30与ZmIPE2在花药发育S8b-S9时期共表达且形成脂酶复合体
脂质组学分析发现，在ms30、ipe2和ms30/ipe2花药中，总脂肪酸及黄酮类物质含量较野生型呈下降趋势；到S10时期（花粉外壁接近成熟阶段），突变体中多数脂肪酸及黄酮类物质含量显著低于野生型。转录组分析显示，脂肪酸和黄酮类物质合成相关基因在突变体中显著下调，与代谢物含量变化一致。体外酶活实验表明，仅当ZmMS30和ZmIPE2同时存在时，C16:0脂肪酸和C16:0 ω-OH脂肪酸才能被有效消耗。ZmMS30和ZmIPE2均可催化邻苯二酚生成苯丙烷素类产物，并协同影响类黄酮前体（p-香豆酸、4-羟基苯甲酸）和类黄酮（圣草酚）的代谢。
研究团队采用体外花粉外壁形成模拟试验进一步验证了这些物质对花粉外壁足层形成的重要性。结果显示，缺失油酸或硬脂酸（脂肪酸类）以及缺失p-香豆酸或香草酸（苯丙素类）均导致花粉外壁模式生成缺陷。特别值得注意的是，缺失香草酸模拟产生的花粉外壁足层形态与ms30、ipe2及ms30/ipe2突变体的足层不连续表型类似，从生化层面证明这两类物质在花粉外壁足层形成中发挥不可或缺的功能 （图2）。
图2. ZmMS30/IPE2复合体调控脂肪酸与苯丙烷代谢，保障花粉外壁足层发育
基于上述结果，提出ZmMS30/IPE2复合体调控玉米花粉外壁足层形成的工作模型：在花药发育S8b–S9时期，ZmMS30与ZmIPE2形成源二聚体，协同催化特定脂肪酸和苯丙烷类代谢物的加工，为足层形成提供必需的结构单元；任一蛋白缺失将导致复合体组装受阻，脂肪酸和类黄酮代谢紊乱，最终造成花粉外壁足层不连续和雄性不育（图3）。
图3. ZmMS30/IPE2复合体调控花粉外壁足层发育的机制模型
值的注意的是ZmMS30只在绒毡层中表达，暗示ZmMS30-ZmIPE2复合体也只能在绒毡层中形成。这一发现排除了足层不连续表型由初生外壁发育（小孢子自身控制）缺陷所致的可能，进一步证实绒毡层在花粉外壁足层形成中发挥物质原料供应的关键作用。该研究首次解析了花粉外壁足层形成的生化机制，揭示了GDSL脂肪酶复合体通过协同催化脂肪酸和苯丙烷代谢物保障足层构建的分子机理，为玉米雄性不育系的创制和杂交制种提供了基因资源。
该论文是本研究团队于2019年发表在Molecular Plant (An et al., 123: 343-359)成果的进一步延伸，相关成果已授权3项国家发明专利（ZL 201410703778.9，ZL 201510300778.9，ZL 201810867572.8）。
William威廉英国侯全璨副教授、博士生牛菁华和柳双双为该论文共同第一作者，万向元教授为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金重点项目、北京市科技新星计划项目等资助。