本研究由Wenqi Zhou（甘肃农业科学院作物研究所玉米研究中心）、Jun Yin（兰州大学生命科学学院教育部细胞活动与应激适应重点实验室）等共同作者合作完成，研究成果于2025年发表于Journal of Integrative Plant Biology (JIPB)，标题为《DSD1/ZmICEB regulates stomatal development and drought tolerance in maize》。研究聚焦玉米气孔发育与抗旱性的分子机制，为作物遗传改良提供了新靶点。

学术背景

玉米（*Zea mays*）作为全球主要粮食作物，其产量易受干旱胁迫影响。气孔作为植物水分和气体交换的关键结构，其密度与分布直接影响水分利用效率（WUE, Water-Use Efficiency）。尽管拟南芥（*Arabidopsis thaliana*）中气孔发育的调控机制已较清晰，但禾本科作物（如玉米）的气孔发育路径更为复杂，涉及保卫母细胞（GMC, Guard Mother Cell）和副卫细胞（SC, Subsidiary Cell）的协同分化。此前研究发现，bHLH（basic Helix-Loop-Helix）转录因子家族（如拟南芥的ICE1/SCRM）在气孔发育中起核心作用，但玉米中同源基因ZmICEB的功能尚未明确。本研究旨在解析ZmICEB如何调控玉米气孔发育，并探究其对抗旱性的影响。

研究流程与方法

1. 突变体筛选与表型分析

   • 从玉米自交系LY49的自然突变群体中筛选出气孔密度降低的突变体dsd1-1，通过显微镜观察发现其气孔密度（stomatal density）和气孔指数（stomatal index）显著降低，且气孔复合体发育异常（如缺失副卫细胞或保卫细胞未成熟）。
     
   • 样本量：20个叶片区域统计，每组3次生物学重复。
     
   • 关键技术：微分干涉对比显微镜（DIC）成像结合共聚焦显微镜（Confocal）动态追踪气孔发育阶段（I-V期）。
     

2. 基因克隆与功能验证

   • 通过图位克隆（map-based cloning）将DSD1定位至玉米4号染色体bin 4.04区间，测序发现Zm00001d049294（即ZmICEB）基因存在19 bp缺失和多个SNP，导致移码突变。
     
   • 利用EMS诱变和CRISPR-Cas9技术构建等位突变体zmiceb-2（B73背景）和zmiceb-c1/2/3（B104背景），验证其气孔表型与dsd1-1一致。
     
   • 样本量：516株F2群体用于初定位，5000株用于精细定位；CRISPR编辑株系各3个独立转化事件。
     

3. 表达模式与分子机制

   • 原位杂交（in situ hybridization）显示ZmICEB在气孔谱系细胞中持续表达，尤其在保卫母细胞和副卫细胞形成阶段。
     
   • 酵母双杂交（Y2H）和双分子荧光互补（BiFC）实验证实ZmICEB与玉米气孔发育关键因子ZmSPCH1/2/3、ZmMUTE和ZmFAMA直接互作。
     
   • 拟南芥互补实验：将ZmICEB导入atice1-2突变体，成功挽救其气孔发育缺陷，证明功能保守性。
     

4. 抗旱性评估与田间表现

   • 干旱处理（半量灌溉）显示zmiceb突变体存活率、叶片持水率显著高于野生型，且水分利用效率（WUE）提升。
     
   • 田间试验（甘肃张掖）表明，zmiceb-c1/2/3在干旱条件下产量损失减少，而LY49和B73背景的突变体因光合速率降低导致正常条件下减产。
     
   • 数据采集：LI-6800光合仪测定生理参数，每组20株；产量性状统计包含百粒重、穗长等。
     

主要结果

1. ZmICEB调控气孔发育的多个阶段：突变体中部分保卫母细胞停滞在分化早期，无法诱导副卫细胞形成或完成对称分裂，导致气孔密度下降（图1-2）。
   
2. 分子互作网络：ZmICEB通过与ZmSPCH、ZmMUTE等互作，协调气孔谱系细胞命运转换（图S7）。
   
3. 抗旱性提升：低气孔密度减少水分蒸腾，使突变体在干旱条件下维持更高光合活性和生物量（图7-8）。
   
4. 遗传背景依赖性：B104背景的CRISPR编辑株系在保持正常产量的同时增强抗旱性，而LY49/B73背景突变体因营养生长受限导致减产（图5, 8）。
   

结论与意义

本研究首次揭示ZmICEB通过调控气孔发育影响玉米抗旱性的分子机制，其科学价值包括：
1. 理论层面：填补了禾本科作物气孔发育调控网络的空白，证实ICE家族基因功能的保守性与分化。
2. 应用潜力：ZmICEB可作为遗传改良靶点，通过CRISPR编辑培育低气孔密度且高产抗旱的玉米品种。
3. 方法创新：结合图位克隆与多背景遗传验证，解决了单基因突变表型受遗传背景干扰的问题。

研究亮点

1. 关键发现：ZmICEB是玉米气孔发育的核心调控因子，其突变可显著提升WUE而不完全依赖光合代价。
   
2. 技术创新：首次在玉米中实现气孔发育过程的活体动态追踪（图2），并开发跨物种功能互补实验体系。
   
3. 应用导向：提出“遗传背景适配”的基因编辑策略，为作物复杂性状改良提供新思路。
   

其他价值

研究还发现ZmICEB可能参与胚乳发育（与W22背景研究呼应），暗示其多效性功能，后续可探索组织特异性调控机制。数据已公开于补充材料，包括突变体序列和表型数据库。