TaWUS-D1基因激活驱动普通小麦多子房小穗发育的分子机制研究

《Plant Communications》：Activation of TaWUS-D1 drives multi-ovary floret development in bread wheat

本研究聚焦于普通小麦多子房性状的遗传调控机制，通过图位克隆技术成功鉴定出控制该性状的关键基因TaWUS-D1。研究人员发现该基因启动子区域的自然变异可激活其在花分生组织中的表达，进而通过CRISPR/Cas9基因编辑和表观遗传学分析证实了TaWUS-D1对多子房形成的决定性作用。该研究为小麦穗粒数遗传改良提供了重要靶点和理论依据，对提升粮食产量具有重要意义。

　　

小麦作为全球最重要的粮食作物之一，其产量提升始终是育种家关注的核心问题。穗粒数是决定小麦产量的关键因素之一，而多子房性状可显著增加单个小穗的籽粒数，为产量突破提供了新思路。然而，多子房性状形成的分子机制长期以来尚不明确，制约了该性状在小麦高产育种中的有效利用。

在这项发表于《Plant Communications》的研究中，中国农业大学柴玲玲团队与合作者通过遗传分析发现，普通小麦多子房性状受单基因控制，并将其命名为Mov-1。为了解析该性状的遗传基础，研究人员构建了多子房材料Y29与普通小麦中国春（Chinese Spring, CS）的分离群体，采用图位克隆技术将目标基因定位在2D染色体上约0.15厘摩的区间内。

通过转录组分析和同源基因功能比较，研究团队鉴定出TaWUS-D1为Mov-1的候选基因。序列分析显示，多子房材料Y29中TaWUS-D1基因启动子区存在自然变异，导致其在花分生组织中特异性激活表达。进一步的实验证实，TaWUS-D1编码一个WUSCHEL同源转录因子，在调控花分生组织维持和器官形成中发挥关键作用。

研究采用的主要技术方法包括：利用Y29与CS杂交构建的F₂和F_2:3分离群体进行遗传作图和基因定位；开发近等基因系NIL-M（多子房）和NIL-S（单子房）进行表型精准鉴定；通过CRISPR/Cas9基因编辑验证基因功能；采用RNA原位杂交和染色质免疫沉淀（ChIP）技术分析基因表达模式和组蛋白修饰状态。

TaWUS-D1的图位克隆与鉴定

研究人员利用BSA（Bulked Segregant Analysis）分析和90k SNP芯片技术，将Mov-1定位在2D染色体上标记A2DL-31-3和A2D-12-2之间。通过筛选大量F₂和F₃个体，进一步将区间缩小至标记2D-589-1和2D-591-1之间。在该区间内鉴定出13个差异表达基因，其中TaWUS-D1因其在花发育中的潜在功能被确定为最强候选基因。

TaWUS-D1的表达模式分析

RNA原位杂交结果显示，TaWUS-D1在多子房材料NIL-M的幼穗花分生组织中特异性表达，而在单子房材料NIL-S中几乎不表达。qRT-PCR分析进一步证实，TaWUS-D1在NIL-M幼穗中的表达量显著高于NIL-S，表明该基因的激活表达与多子房性状形成密切相关。

基因编辑验证TaWUS-D1功能

通过CRISPR/Cas9技术敲除TaWUS-D1基因，研究人员发现突变体M1的多子房性状完全消失，转变为单子房表型。这一结果直接证明了TaWUS-D1对多子房性状的必要性。同时，突变体在株高、穗长和千粒重等农艺性状上也发生了显著变化，表明TaWUS-D1在多效性调控中发挥作用。

表观遗传调控机制研究

ChIP分析显示，与NIL-S相比，NIL-M中TaWUS-D1基因位点的H3K4me3（组蛋白H3第4位赖氨酸三甲基化）修饰水平显著升高，而H3K27me3（组蛋白H3第27位赖氨酸三甲基化）修饰水平降低。这表明多子房材料中TaWUS-D1的激活表达与促进转录的组蛋白修饰富集相关。

转录组分析揭示下游调控网络

RNA-seq分析鉴定出NIL-M与NIL-S之间存在大量差异表达基因，GO（Gene Ontology）富集分析显示这些基因显著富集在花器官发育、分生组织维持等生物学过程。这提示TaWUS-D1可能通过调控一系列下游基因的表达来影响花器官发育。

本研究系统解析了TaWUS-D1基因调控小麦多子房性状形成的分子机制，不仅为理解禾本科植物花器官发育提供了新见解，也为小麦产量遗传改良提供了有价值的基因资源。研究表明，通过调控WUSCHEL同源基因的表达可以改变花器官数目，这为禾谷类作物穗粒数改良提供了新策略。该研究的发现对未来小麦高产育种具有重要指导意义，展示了通过精准调控关键基因表达实现作物产量提升的巨大潜力。