玉米胚乳是人类粮食和畜牧业饲料的主要营养来源，也是众多工业产品的原料基础。胚乳发育经历合胞体形成、细胞化、有丝分裂、细胞分化、核内复制（endoreduplication）和成熟等多个精确调控的阶段。其中，有丝分裂决定了胚乳细胞的数量，核内复制则通过反复的DNA复制而不伴随细胞分裂，使细胞体积和DNA含量大幅增加——两者共同决定了最终的籽粒大小。然而，调控这些细胞周期类型转换的分子机制，尤其是表观遗传层面的调控，长期处于空白状态。

多梳抑制复合体2（Polycomb Repressive Complex 2, PRC2）是动植物中保守的转录沉默机器，通过催化组蛋白H3第27位赖氨酸三甲基化（H3K27me3）实现长效基因抑制。在拟南芥和果蝇等模式生物中，PRC2通过Polycomb响应元件（PREs）和转录因子的协同作用被招募至靶基因。但在哺乳动物中，PRC2采用“扫描模式”结合未甲基化的CpG岛，被认为更适合大基因组。那么在玉米这类基因组庞大（~2.3Gb）的作物中，PRC2如何精确地“找到”并沉默靶基因？PRC2又在胚乳发育的哪个阶段发挥功能？这些问题一直悬而未决。

近日，山东大学生命科学学院董家强团队在Genome Biology发表了题为“EMF2b-1 regulates endosperm cell cycling through PRC2 recruitment in maize”的研究论文。该研究鉴定到玉米SUZ12同源蛋白EMF2b-1，揭示了其通过PRC2复合体介导的H3K27me3沉积来沉默籽粒大小调控因子ZmDA1，从而精准控制胚乳细胞周期转变的分子机制，并首次阐明了转录因子BZR1-9作为PRC2招募因子的功能模型。爱基百客为该研究提供RNA-seq、CUT&Tag和ChIP-seq的技术支持。

Part 1 研究思路

SUZ12是PRC2的核心支架亚基，负责与甲基转移酶和辅助亚基的相互作用，对PRC2全酶的染色质靶向和催化活性至关重要。玉米基因组编码两个EMF2b旁系同源基因——EMF2b-1和EMF2b-2，其中EMF2b-1在授粉后的胚乳中表达更为丰富。

研究团队采用了多层次的实验策略：

EMS突变体筛选与表型鉴定 → RNA-seq转录组分析 → CUT&Tag/ChIP-seq全基因组H3K27me3图谱 → EMF2b-1 ChIP-seq靶基因鉴定 → 转录组与表观组联合分析 → IP-MS鉴定互作蛋白 → 转录因子验证 → 体外重建PRC2招募

Part 2 研究结果

01 EMF2b-1突变导致籽粒变小、胚乳细胞周期紊乱

通过EMS诱变突变体库，研究团队获得了emf2b-1的三个等位突变株系（emf2b-1–1、emf2b-1–2、emf2b-1–3），均导致提前终止密码子。等位性检测和过表达互补实验共同确认，这些籽粒小型化表型均由EMF2b-1基因的功能缺失所致。

Fig1 EMF2b-1的系统发育关系、表达模式及亚细胞定位

表型分析表明emf2b-1突变体成熟籽粒显著变小、扁平，粒长和粒宽均显著降低，百粒重仅为野生型的约70%。石蜡切片揭示，14 DAP（授粉后天数）的突变体胚乳在胚、基底胚乳转移层（BETL）、胚周围区域（ESR）和亚糊粉层的分化上均表现出明显延迟。淀粉胚乳细胞尺寸显著减小，细胞数量减少约18.7%。

Fig2 emf2b-1–1基因型玉米粒的表型分析

值得注意的是，流式细胞术分析给出了关键线索：在14 DAP和17 DAP，突变体胚乳中≥12C的高倍性核比例显著增加。14 DAP时，≥24C核增加34.4%，≥48C核增加2.86倍，平均倍性提高30.1%。与此同时，亚糊粉层细胞层数——这是胚乳发育后期唯一保留有丝分裂活性的区域——也显著增多。

Fig3 emf2b-1–1突变体中的细胞周期受到影响

综合来看，EMF2b-1的缺失导致胚乳中有丝分裂和核内复制双重增强，但细胞尺寸减小和细胞数下降的净效应仍然导致了籽粒变小。这一发现表明，EMF2b-1在协调细胞周期进程中的关键角色，与拟南芥和水稻中SUZ12同源基因主要调控受精前胚乳起始抑制和细胞化的功能截然不同。

02 RNA-seq+ChIP-seq锁定EMF2b-1-PRC2直接靶基因网络

为解析EMF2b-1调控的分子通路，团队对10 DAP和14 DAP的野生型和emf2b-1–1胚乳进行了RNA-seq转录组分析。结果显示，10 DAP时有3,316个基因上调、1,447个下调；14 DAP时有2,215个上调、1,955个下调。上调基因的GO富集分析强烈指向细胞周期、DNA复制、染色体组织等通路，具体包括Cyclins、E2Fs、RBR3/4、MCM2-7、PCNA、ORC1、CDC4-6等核心细胞周期调控因子。这一表达模式与已知的RBR-E2F/DP通路完全吻合，从转录层面解释了突变体中细胞周期增强的原因。

Fig4 EMF2b-1基因的突变是导致籽粒表型的原因。

为进一步筛选EMF2b-1-PRC2的直接下游靶基因，团队实施了双重ChIP-seq策略。

H3K27me3 CUT&Tag/ChIP-seq：在野生型中，10 DAP和14 DAP的H3K27me3峰分别覆盖20,583和13,277个基因；而在emf2b-1–1突变体中，H3K27me3水平全基因组显著下降，分别有6,691和4,566个基因的H3K27me3修饰减少。将这些基因与RNA-seq上调基因取交集——分别得到703和353个“突变体中H3K27me3降低且表达上调”的候选靶基因。

EMF2b-1-HA ChIP-seq：利用过表达EMF2b-1-HA（可完全回补突变表型）的转基因株系，在14 DAP胚乳中鉴定到7,275个EMF2b-1结合峰，对应5,928个直接靶基因。与H3K27me3数据和转录组数据三方交叉，最终筛选出98个EMF2b-1-PRC2直接靶基因，其GO显著富集于细胞周期调控和转录调控。

Fig5 转录组分析表明，与细胞周期和DNA复制相关的基因在emf2b-1–1中表达上调。

在这98个直接靶基因中，ZmDA1尤为引人注目。DA1是一个在植物中保守的种子大小负调控因子——它抑制细胞分裂同时促进核内复制，其过表达导致种子变小。在emf2b-1–1突变体中，ZmDA1的H3K27me3修饰降低、表达量升高，完美契合了突变体的细胞周期表型。此外，生长素合成途径基因TAR1和DE18也被鉴定为直接靶基因，且在突变体中上调，为突变体细胞分裂增强提供了另一层解释。

Fig6 H3K27me3与EMF2b-1的ChIP-seq分析揭示了其直接靶基因。

03 转录因子BZR1-9招募EMF2b-1-PRC2至ZmDA1

PRC2核心亚基自身不具备DNA序列识别能力。那么，EMF2b-1-PRC2是如何被精准招募到ZmDA1等靶基因启动子上的？

团队首先对98个直接靶基因的启动子区进行了de novo motif富集分析。结果显示多种已知转录因子结合位点显著富集，包括GAGA重复（BBR/BPC家族）、BZR结合位点（CACGTGTG）、E2F、bHLH、HMG box和MYB等。这一发现提示多种DNA结合蛋白可能作为PRC2的招募因子。

随后，通过IP-MS技术，团队从过表达EMF2b-1的胚乳中鉴定到全部核心PRC2亚基（Mezs、FIEs、MSIs）以及多个已知的PRC2辅助蛋白（EMF1、LHP1），验证了EMF2b-1作为PRC2复合体核心亚基的定位。更重要的是，IP-MS还鉴定到多个互作转录因子，包括HMG13、BZR1-9、PLATZ2、DED1和MYB等。

团队聚焦于BZR1-9——它是拟南芥BZR1转录抑制因子的9个玉米同源基因之一，主要在发育中的胚乳中表达，且其结合motif在靶基因启动子区显著富集。Co-IP、荧光素酶互补成像（LCI）和GST pull-down三重实验证实了EMF2b-1与BZR1-9的直接物理互作。

功能上，Dual-LUC实验表明BZR1-9能够抑制ZmDA1的表达，共表达EMF2b-1进一步增强了这一抑制效应。EMSA证实BZR1-9直接结合ZmDA1启动子，而EMF2b-1自身不能结合DNA。关键的DPI-R-ELISA（DNA-蛋白质互作-招募ELISA）实验则提供了决定性证据：BZR1-9首先结合ZmDA1启动子探针，随后EMF2b-1被特异性地招募到该复合体上。

Fig7 BZR1-9与EMF2b-1-PRC2复合物相互作用以抑制ZmDA1的表达

至此，一条完整的PRC2招募路径被解析：BZR1-9识别并结合ZmDA1启动子中的cis元件 → 招募EMF2b-1-PRC2全酶 → 催化H3K27me3沉积 → 沉默ZmDA1转录 → 调控胚乳细胞周期 → 决定籽粒大小。

这一发现首次在玉米这类大基因组作物中证明，PRC2的基因组靶向主要依赖转录因子结合cis调控元件来实现——其机制与拟南芥和果蝇中的PRE-TF模式进化保守，而非哺乳动物式的“扫描”模式。同时，除BZR1-9外，多种转录因子（HMG13、BBR/BPC、E2F等）可能分别负责将PRC2招募到不同的靶基因位点，构成多层次、多靶点的精细调控网络。

Part 3 研究总结

本研究通过整合遗传学、转录组学、表观组学和蛋白质组学手段，系统揭示了EMF2b-1-PRC2在玉米胚乳发育中的功能和机制。

• 新功能定位：不同于拟南芥FIS2和水稻OsEMF2a调控胚乳细胞化的角色，玉米EMF2b-1主要调控胚乳发育后期的有丝分裂-核内复制转变，是SUZ12同源基因功能多样化的典型案例。

• 核心分子机制：EMF2b-1作为PRC2支架亚基，通过转录因子BZR1-9等蛋白被招募至ZmDA1等靶基因启动子，催化H3K27me3沉积以沉默这些基因的表达，从而精确控制细胞周期的进程和籽粒大小。

• PRC2招募范式：在大基因组植物中，PRC2的基因组靶向依赖trans-acting转录因子与cis调控元件的协同作用，这一模式在动植物中具有深层的进化保守性。

该研究不仅填补了玉米胚乳表观遗传调控的重大空白，也为通过分子设计育种改良玉米籽粒大小和产量提供了新的基因靶点。

RNA-seq + CUT&Tag + ChIP-seq三管齐下的策略，使研究团队能够从转录水平、组蛋白修饰水平和转录因子结合水平三个维度交叉验证，最终精准锁定98个EMF2b-1-PRC2直接靶基因。这一案例充分体现了多组学整合策略在植物表观遗传调控研究中的强大解析力。

爱基百客深耕表观遗传学与转录调控研究服务十余年，拥有DAP-seq、CUT&Tag、ChIP-seq、ATAC-seq、RNA-seq等完整的多组学技术平台，覆盖从实验设计、样本处理、文库构建、高通量测序到生物信息学分析和下游实验验证的全流程服务。

• 参考文献

Xu J, Zhang Y, Qing K, et al. EMF2b-1 regulates endosperm cell cycling through PRC2 recruitment in maize. Genome Biology, 2026, 27: 172. https://doi.org/10.1186/s13059-026-04049-3