4月26日，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院小麥研究中心在《自然》雜志（Nature）在線發(fā)表研究論文《BR與GA激素平衡調(diào)控小麥株型和產(chǎn)量的分子機(jī)制》（Reducing brassinosteroid signaling enhances grain yield in semi-dwarf wheat）。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)多年大規(guī)模田間表型調(diào)查和遺傳學(xué)研究，鑒定到一個(gè)顯著提升小麥群體產(chǎn)量的關(guān)鍵位點(diǎn)，為高產(chǎn)高效半矮稈小麥新品種培育提供了重要基因資源和新的育種策略。與此同時(shí)，這項(xiàng)研究還鑒定到一個(gè)油菜素內(nèi)酯（Brassinosteroid, BR）信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的關(guān)鍵正調(diào)控因子ZnF，在理論上加深了對(duì)BR信號(hào)途徑的認(rèn)識(shí)。

小麥（

Triticum

aestivum

中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院小麥研究中心歷時(shí)十年，基于正向遺傳學(xué)研究策略，在4B染色體短臂上鑒定到一個(gè)協(xié)同提升小麥產(chǎn)量和氮素利用效率的半矮稈位點(diǎn)。該位點(diǎn)為一段500Kb左右的大片段缺失，導(dǎo)致3個(gè)緊密連鎖的基因丟失，即Rht-B1/EamA-B/ZnF-B，命名為r-e-z單倍型。與綠色革命基因型Rht-B1b相比，r-e-z缺失單倍型保持了半矮稈株型，且莖稈強(qiáng)度、耐密性、收獲指數(shù)、千粒重和產(chǎn)量等均有顯著提升。在群體水平下，缺失單倍型可使小麥增產(chǎn)10%以上（圖1）。

圖1 r-e-z單倍型的鑒定與田間小區(qū)產(chǎn)量比較實(shí)驗(yàn)

為了解析決定r-e-z遺傳效應(yīng)的候選基因，利用基因編輯技術(shù)創(chuàng)制了3個(gè)基因（Rht-B1/EamA-B/ZnF-B）的不同類(lèi)型突變體。結(jié)果顯示，與野生型Fielder（Rht-B1b）相比，赤霉素（Gibberellin，GA）信號(hào)的負(fù)調(diào)控因子Rht-B1b功能喪失導(dǎo)致株高、穗長(zhǎng)和粒重顯著增加；ZnF-B功能缺失表現(xiàn)出株高和千粒重降低的表型，但是穗長(zhǎng)沒(méi)有顯著差異；EamA-B敲除株系與野生型之間沒(méi)有觀察到表型改變。研究還發(fā)現(xiàn)，Rht-B1b和ZnF-B同時(shí)突變與r-e-z遺傳效應(yīng)基本相似（圖2）。

圖2 Rht-B1和ZnF-B是決定r-e-z遺傳效應(yīng)的關(guān)鍵基因

ZnF編碼一個(gè)含有RING結(jié)構(gòu)域的細(xì)胞膜定位E3泛素連接酶。生化研究表明，ZnF蛋白能夠與細(xì)胞膜表面的油菜素內(nèi)酯受體蛋白TaBRI1及其阻遏蛋白TaBKI1相互作用，并特異性介導(dǎo)TaBKI1在質(zhì)膜上的降解。ZnF功能缺失使TaBKI1蛋白在質(zhì)膜上過(guò)量積累，阻遏了BR信號(hào)的正常傳導(dǎo)，進(jìn)而使小麥株高降低（圖3）。

圖3 ZnF是一個(gè)新的BR信號(hào)正調(diào)控因子

單倍型分析結(jié)果表明，增產(chǎn)的缺失單倍型為稀有的變異類(lèi)型，僅在我國(guó)的12份種質(zhì)資源中存在。通過(guò)標(biāo)記輔助選擇策略，結(jié)合常規(guī)育種，初步選育出4個(gè)整合r-e-z單倍型的高產(chǎn)、半矮稈小麥苗頭品系，在群體條件下產(chǎn)量比高產(chǎn)主栽品種良星99提高6.5%-15.2%（圖4）。

圖4 利用r-e-z單倍型培育出的半矮稈高產(chǎn)小麥苗頭品系

綜上，該研究鑒定到一個(gè)稀有單倍型r-e-z，含有一個(gè)協(xié)同控制株型、產(chǎn)量和氮素利用效率的遺傳模塊（Rht-B1/ZnF-B）。其中，ZnF是BR信號(hào)的正調(diào)控因子，而Rht-B1是GA信號(hào)的負(fù)調(diào)控因子。利用r-e-z單倍型介導(dǎo)的BR和GA激素再平衡，可以培育出矮稈抗倒、高產(chǎn)和氮素高效利用的小麥品種，在突破現(xiàn)有綠色革命品種產(chǎn)量瓶頸方面有潛在的重要育種利用價(jià)值。

中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)小麥中心博士研究生宋龍、劉杰副教授為該論文的共同第一作者，倪中福教授為論文通訊作者。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)孫其信教授全程指導(dǎo)了該項(xiàng)研究。美國(guó)堪薩斯州立大學(xué)柏貴華教授、俄克拉荷馬州立大學(xué)嚴(yán)六零教授和中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所李文學(xué)研究員在寫(xiě)作上進(jìn)行了細(xì)心指導(dǎo)。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)國(guó)家農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展野外觀測(cè)站（曲周）宋印明和閆勇老師在小麥育種方面提供了重要幫助。中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所刁現(xiàn)民研究員和湯沙副研究員饋贈(zèng)了BRI1抗體，中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所褚金芳和辛培勇博士、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)陳倩副教授和王西博士后分別在激素測(cè)定和泛素化實(shí)驗(yàn)上給予了大力支持。該項(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、海南崖州灣種子實(shí)驗(yàn)室、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目的資助。

團(tuán)隊(duì)介紹

孫其信教授作為學(xué)術(shù)帶頭人的中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院小麥研究中心長(zhǎng)期圍繞多倍體小麥產(chǎn)量性狀形成、小麥廣適性的遺傳基礎(chǔ)和分子機(jī)制、小麥品質(zhì)性狀遺傳調(diào)控等一系列重要科學(xué)問(wèn)題開(kāi)展系統(tǒng)深入的研究。該團(tuán)隊(duì)近10年共獲得國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，教育部高校科研優(yōu)秀成果技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，中華農(nóng)業(yè)科技獎(jiǎng)優(yōu)秀創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)獎(jiǎng)1項(xiàng)；近5年在小麥研究領(lǐng)域發(fā)表Nature、Nature Communications、The Plant Cell、Molecular Plant等高水平研究論文50余篇。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06023-6

來(lái)源： 中國(guó)農(nóng)大新聞網(wǎng)