玉米作为全球最重要的粮食作物之一，其产量和耐逆性的提升对保障粮食安全意义重大。维生素B1 (VB1)是植物必需的微量营养，其活性形式硫胺素二磷酸(TDP)是多种关键代谢酶的辅因子，参与卡尔文循环、三羧酸循环、丙酮酸代谢、磷酸戊糖途径、支链氨基酸合成/分解、甲基赤藓糖醇磷酸(MEP)途径等代谢过程，对植物生长、发育及逆境响应至关重要。尽管拟南芥和水稻中的VB1合成途径已被初步解析，但基因组更为复杂的玉米，其VB1合成路径、关键基因的功能细节以及VB1如何具体促进植物生长和耐逆性的机制仍待全面解析。
2025年10月13日，中国科学院遗传与发育生物学研究所陈化榜团队在Plant Biotechnology Journal杂志在线发表了题为ZmTH1 Is Vital for Healthy Plant Growth and Promotes Cold/Drought Tolerance by Regulating Thiamin Diphosphate-Dependent Metabolisms in Maize 的研究论文。该研究从一个苗期叶片失绿、后期生长发育不良的玉米自然突变体pldg1入手，通过BSA、图位克隆和遗传验证，确认ZmTH1是控制该表型的关键基因。ZmTH1编码一个定位于叶绿体的双功能酶，包含HMPP-K和TMP-S两个保守结构域，负责催化VB1合成中的两个连续反应。ZmTH1的旁系同源基因ZmTMPS1仅编码TMP-S结构域，且存在于细胞质与细胞核，仅具备部分催化活性。功能互补实验表明，ZmTH1编码的两个结构域可独立行使功能，而pldg1突变体蛋白因丧失TMP-S活性，其存活依赖于ZmTMPS1的部分功能补偿，这解释了为何ZmTH1完全敲除株系致死的遗传现象。这一发现揭示了VB1合成在玉米细胞内存在叶绿体与细胞质/细胞核协同作用的新模式。进一步分析发现，pldg1突变体中单磷酸硫胺素(TMP)、VB1、TDP含量均显著下降，导致多种TDP依赖酶活性受损。随后的转录组与初级代谢组联合分析表明，突变体中TDP依赖的多个代谢通路如卡尔文循环、三羧酸循环、磷酸戊糖途径、支链氨基酸代谢等核心代谢网络被全面扰乱，从而导致pldg1突变体表型；而苗期叶片黄白化则是由于萜类物质合成的MEP途径受损所致。研究还发现，在正常玉米中过表达ZmTH1或外源喷施一定浓度的VB1，能显著提升TDP依赖酶活性，并赋予转基因植株和野生型植株苗期的耐寒性与耐旱性。在干旱和寒冷胁迫下，过表达株系和VB1处理组的苗期存活率远超对照组，且氧化损伤程度显著降低。这为通过基因工程或叶面肥施用策略提升作物耐逆性提供了实践证据。
陈化榜研究组在站博士后张腾飞为论文的第一作者，陈化榜研究员和张照贵副研究员为共同通讯作者。已出站博士后臧杰、在读博士生杨博明和王秋霞协助实施了部分实验，植物激素平台褚金芳研究员团队完成了VB1及其衍生物含量的测定工作。研究得到国家重点研发计划项目的资助。
ZmTH1和ZmTMPS1参与VB1合成及影响生长与耐逆的机制
