小麦 VRN1基因新发现：调控抽穗期与株高的关键密码

《Plant Communications》：VRN1 regulates heading and plant height in wheat by activating gibberellin biosynthesis

为探究小麦抽穗期和株高受 VRN1调控的分子机制，研究人员对 VRN1-5A/5B/5D 同源基因进行编辑及过表达实验。结果表明 VRN1可激活赤霉素（GA）生物合成来调控相关性状，为小麦改良提供理论支持和候选基因。

　　在广袤的农业领域，小麦作为全球重要的粮食作物，其抽穗期和株高对于产量和品质的影响至关重要。想象一下，抽穗时间过早或过晚，都可能导致小麦无法充分利用自然环境，影响产量；而株高过高容易倒伏，过低又可能影响光合作用效率。多年来，科学家们一直致力于解开小麦生长发育的奥秘，可尽管早在二十多年前就克隆出了春化基因 VERNALIZATION1（VRN₁），知道它能影响开花时间，且在四倍体小麦品种中参与株高调控，但 VRN₁调控小麦抽穗期和株高的分子机制却始终是个未解之谜。为了填补这一知识空白，中国农业科学院作物科学研究所的研究人员勇敢地踏上了探索之旅。

研究人员巧妙地运用 CRISPR/Cas9 基因编辑技术，构建出了 vrn₁-aa、vrn₁-bb、vrn₁-dd 单突变体以及 vrn₁-aabbdd 三突变体，还培育出了过表达 VRN₁-5A 的转基因小麦植株。经过一系列严谨的实验和数据分析，他们发现 VRN₁-5A/5B/5D 在调控小麦抽穗期和株高上具有冗余性，过表达 VRN₁-5A 能让小麦抽穗期提前，株高显著增加。同时，研究人员深入探究了 VRN₁与赤霉素（GA）的关系，通过测量突变体茎基部 GA₃含量、检测 GA 生物合成基因的表达水平，以及运用酵母单杂交（Y1H）、染色质免疫沉淀和定量 PCR（ChIP-qPCR）等技术，证实 VRN₁能直接激活 GA 生物合成通路基因的表达。此外，研究还发现外施 GA₃可以有效挽救 vrn₁突变体的抽穗延迟和株高降低的表型。这些研究成果发表在《Plant Communications》上，为理解小麦抽穗期和株高的遗传基础提供了新视角，也为小麦品种改良提供了理论支持和候选基因。

研究人员在研究过程中主要运用了以下几种关键技术方法：CRISPR/Cas9 基因编辑技术，用于构建各类 VRN₁突变体；转基因技术，培育过表达 VRN₁-5A 的转基因小麦植株；通过测量突变体和正常植株茎基部 GA₃含量，探究 VRN₁与 GA 的关联；利用酵母单杂交（Y1H）和染色质免疫沉淀和定量 PCR（ChIP-qPCR）技术，验证 VRN₁与 GA 生物合成通路基因的关系。

下面来详细看看研究结果：

1. VRN₁对小麦抽穗期和株高的调控作用：研究人员通过对比野生型小麦 Fielder 和不同 VRN₁突变体的生长情况，发现单突变体的抽穗期延迟了 3 - 14 天，株高降低了 3.7 - 5 厘米，而三突变体的抽穗期严重延迟，株高显著降低。相反，过表达 VRN₁-5A 的转基因小麦抽穗期比 Fielder 提前了 6 - 8 天，株高明显增加。这表明 VRN₁-5A/5B/5D 在调控小麦抽穗期和株高方面起着重要作用，且功能具有冗余性。
2. VRN₁与 GA 生物合成的关系：研究人员测定了 vrn₁-aabbdd 三突变体三叶期茎基部的 GA₃含量，发现其显著低于 Fielder。同时，三突变体中一些 GA 生物合成基因，如 TaGA13ox1 和 TaGA20ox2 的表达水平也明显降低。这说明 VRN₁的缺失会影响 GA 的生物合成。
3. VRN₁对 GA 生物合成通路基因的直接调控：为了验证 VRN₁是否直接调控 GA 生物合成通路基因，研究人员进行了烟草瞬时表达分析、酵母单杂交（Y1H）实验和染色质免疫沉淀和定量 PCR（ChIP-qPCR）实验。结果显示，VRN₁能够强烈激活 TaGA13ox1 和 TaGA20ox2 的表达，并且能与它们的启动子区域结合，这充分表明 VRN₁可以直接激活 GA 生物合成通路基因的表达。
4. 外施 GA₃对 vrn₁突变体表型的影响：研究人员给 vrn₁单突变体和三突变体施加外源 GA₃，发现单突变体延迟的抽穗期和降低的株高表型得到了有效挽救，三突变体严重延迟的抽穗期和降低的株高表型也得到了部分挽救，而且突变体在幼苗期的生长迟缓表型也有所改善。这进一步证明了 VRN₁参与调控小麦 GA 生物合成。

综合以上研究，研究结论为 VRN₁通过直接激活 GA 生物合成，在一定程度上调控了小麦的抽穗期和株高。这一发现意义重大，不仅为揭示小麦生长发育的遗传机制提供了新线索，还为小麦育种工作提供了关键的理论依据。在未来的小麦品种改良中，研究人员可以针对 VRN₁基因和 GA 生物合成通路进行精准调控，培育出抽穗期适宜、株高理想的小麦品种，提高小麦产量和品质，保障全球粮食安全。