TaFAD8-D启动子自然变异通过脂肪酸与脂质重塑增强小麦耐热性

《Plant Biotechnology Journal》：Natural Variation in TaFAD8-D Promoter Enhances Thermotolerance in Wheat Through Fatty Acid and Lipid Remodelling

本文揭示了小麦耐热性调控新机制，发现TaFAD8-D启动子区转座子插入的自然变异通过负调控TaFAD8表达，影响脂肪酸代谢（C18:2/C18:3比值）和脂质重塑（DGDG/MGDG、PC/PE比值），维持叶绿体膜稳定性，从而增强光合效率（Fv/Fm）和千粒重。研究还鉴定出转录因子TaWRKY71通过结合W-box motif负调控TaFAD8表达，为培育耐热小麦品种提供了重要靶点（QMpe.cau-2D位点）。

　　

1 引言

全球变暖导致小麦生长季极端热胁迫事件频发，严重威胁作物产量。小麦耐热性是由多数量性状位点控制的复杂农艺性状，然而其遗传位点和分子机制尚不明确。脂质重塑是植物应对热胁迫的关键机制，植物通过调节饱和与不饱和脂肪酸比例维持膜流动性和稳定性。脂肪酸去饱和酶催化脂肪酸链引入双键，其中ω-3 FAD家族成员FAD7和FAD8在温度响应中发挥重要作用。

2 结果

2.1 遗传定位鉴定TaFAD8为小麦耐热性候选基因

利用耐热品种TAM107和热敏感品种LZ238构建的重组自交系群体，通过测定最大光化学效率（Fv/Fm）发现热胁迫下LZ238的Fv/Fm比值显著降低。遗传定位在2D染色体43.41 cM处鉴定到主效QTL位点QMpe.cau-2D。通过近等基因系精细定位将候选区间缩小至32.0-37.6 Mb，其中TraesCS2D02G082700编码ω-3脂肪酸去饱和酶，其启动子区存在3534 bp转座子插入。

2.2 TaFAD8启动子自然变异改变基础表达

系统进化分析表明TaMPE-D与水稻OsFAD8同源性最高，命名为TaFAD8-D。RT-qPCR显示热敏感品种CS中TaFAD8-D表达量显著高于耐热品种TAM107。双荧光素酶报告系统证实TAM107启动子中TE插入降低转录活性。亚细胞定位显示TaFAD8-D定位于叶绿体膜。

2.3 TaFAD8作为耐热性负调控因子

利用CRISPR/Cas9技术创制Tafad8突变体，其中Tafad8-1和Tafad8-2在A、B、D基因组均发生移码突变。常温下突变体与野生型表型无差异，但热胁迫后突变体存活率和Fv/Fm比值显著提高。田间试验表明突变体千粒重在热胁迫下显著增加，其他农艺性状无显著变化。

2.4 TaFAD8影响热胁迫下脂肪酸组成和脂质重塑

脂质组学分析发现突变体中C18:2含量升高而C18:3降低，C18:2/C18:3比值升高。热胁迫下突变体DGDG和PC含量显著增加，DGDG/MGDG和PC/PE比值升高。双键指数分析显示突变体多数脂质类别不饱和度降低。

2.5 TaFAD8突变通过调节转录组增强耐热性

转录组分析发现热胁迫下突变体有1077个差异表达基因，富集于胁迫响应、脂质代谢等通路。突变体中光合相关基因表达变化更显著，谷胱甘肽代谢基因更早激活。非损伤微测技术显示突变体钙离子稳态更稳定，电镜观察发现突变体叶绿体膜结构损伤更轻。

2.6 TaWRKY71与TaFAD8启动子互作

通过调控网络预测发现TaWRKY71与TaFAD8表达呈负相关。EMSA和双荧光素酶实验证实TaWRKY71通过结合W-box抑制TaFAD8转录。Tawrky71突变体TaFAD8表达升高，C18:2/C18:3比值降低，耐热性下降。

2.7 TaFAD8-D单倍型鉴定

在1280份小麦资源中鉴定出9种单倍型，含TE插入的Hap4在粗山羊草和斯卑尔脱小麦中频率较高，提示其起源于粗山羊草。Hap4品种TaFAD8-D表达量低，热胁迫下光合效率高。

3 讨论

本研究阐明TaFAD8-D通过调节脂肪酸代谢和脂质重塑维持膜稳定性，TaWRKY71负调控该通路。发现的热耐受单倍型Hap4为耐热育种提供重要资源，Tafad8突变体在正常条件下农艺性状无变化，热胁迫下产量提高，具有重要育种价值。

4 材料与方法

详细描述了植物材料、表型鉴定、基因组分析、脂质测量和分子实验方法，为研究提供技术支持。