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ZmTH1 Is Vital for Healthy Plant Growth and Promotes Cold/Drought Tolerance by Regulating Thiamin Diphosphate‐Dependent Metabolisms in Maize

生物 硫胺素 突变体 生物化学 胞浆 ATP合酶 功能(生物学) 移码突变 拟南芥 新陈代谢 生物合成 细胞生物学 代谢途径 基因 突变 磷酸果糖激酶2 激酶 酶分析 多效性 遗传学 苗木 拟南芥 磷酸化 植物生长 光合作用 调节器 转移酶 突变
作者
Tengfei Zhang,Jie Zang,Boming Yang,Qiuxia Wang,Jijun Yan,Peiyong Xin,Jinfang Chu,Huabang Chen,Zhaogui Zhang
出处
期刊:Plant Biotechnology Journal [Wiley]
卷期号:24 (3): 1234-1250
标识
DOI:10.1111/pbi.70400
摘要

Vitamin B1 (VB1) plays a crucial role in sustaining plant health and enabling adaptive responses to environmental stress. The complex maize genome implies a sophisticated VB1 synthesis pathway, with the mechanisms by which VB1 benefits plants remaining elusive. Here, we identified two VB1 biosynthetic genes, THIAMINE REQUIRING 1 (ZmTH1) and its paralog THIAMINE MONOPHOSPHATE SYNTHASE 1 (ZmTMPS1), from a natural mutant pale leaf and depauperate growth 1 (pldg1). We elucidated their specific roles in regulating multiple thiamin diphosphate (TDP)-dependent metabolic pathways and their effects on plant growth and stress tolerance. ZmTH1 encodes a chloroplast-localised, bifunctional enzyme comprising phosphomethylpyrimidine kinase (HMPP-K) and thiamine monophosphate synthase (TMP-S) domains. Functional dissection revealed that these domains functioned synergistically, with disruption of one domain significantly attenuating the other, although both can function independently. A frameshift mutation in ZmTH1 (Zmth1) resulted in reduced biosynthesis of VB1, TMP and TDP. Consequently, the activity of TDP-dependent enzymes was impaired, disrupting multiple TDP-dependent metabolic pathways. Additionally, ZmTMPS1, localised to the cytosol and nucleus, exhibited limited TMP-S activity that partially compensated for ZmTH1 mutation in pldg1 but cannot fully restore VB1 levels. Overexpression of ZmTH1 or exogenous VB1 application enhanced maize seedling tolerance to cold and drought stresses by increasing TDP-dependent enzyme activity. These findings advance the understanding of VB1 metabolism in maize and provide genetic targets for improving stress resilience and crop performance.
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