小麦产量提升新突破：镁螯合酶亚基CHLI-A的自然变异增强籽粒重量与光合效率

本研究针对小麦产量提升的关键限制因素，通过定位克隆发现镁螯合酶亚基CHLI-A的自然变异（PAV）能显著提高叶面积、叶绿素含量和净光合速率，从而增加籽粒重量。研究人员利用基因编辑和转基因技术验证了CHLI-A通过优化光合作用途径打破产量构成要素间的权衡关系，为小麦高产育种提供了新靶点。该成果发表于《The Plant Cell》，对实现作物"光合效率驱动产量"的育种策略具有重要指导意义。

　　

在全球粮食安全面临挑战的背景下，提高小麦产量始终是农业科学的核心课题。作为三大主粮之一，小麦养活了全球40%的人口，但传统育种中产量构成要素间存在"此消彼长"的难题——增加籽粒数量往往导致单粒重量下降，反之亦然。更棘手的是，光合作用作为产量形成的能量基础，其复杂调控网络使得相关育种靶点难以锁定。中国科学家另辟蹊径，从新疆特有的六倍体小麦地方品种中发掘出突破性基因资源，揭开了通过光合途径协同提升小麦产量的新篇章。

研究团队采用多组学联合作战策略：首先构建了以新疆小麦XJ5为供体、栽培品种Shi4185为受体的渗入系群体，通过全基因组关联分析（GWAS）锁定7A染色体上4.41 Mb的关键区间；结合比较基因组学和转录组测序（RNA-seq），发现栽培品种中缺失的镁螯合酶CHLI亚基基因（CHLI-A）是决定性因素；进而利用CRISPR-Cas9基因编辑和转基因互补实验，在田间试验中系统验证了该基因的功能。样本来源于全球648份小麦种质资源，涵盖二倍体、四倍体和六倍体小麦。

CHLI-A增强籽粒重量和大小

通过构建ProCHLI-A:CHLI-A转基因株系，发现CHLI-A特异性表达可使籽粒长、宽分别增加12.3%和9.8%，千粒重提升15.4%，且不影响穗粒数等农艺性状。动态灌浆分析显示，过表达株系在花后14-28天呈现更快的鲜重积累速率。

光合效率与叶形态调控

CHLI-A作为镁螯合酶关键组分，其表达水平与叶绿素含量（SPAD值）和净光合速率呈正相关。转基因株系旗叶面积增加21.5%，光合相关基因TaRBCS（核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶小亚基）和TaLHCB1（光捕获叶绿素a/b结合蛋白）表达显著上调。

田间产量验证

在536粒/m²的高密度种植条件下，CHLI-A过表达株系产量比受体提高11.7%，且该优势在不同生态区（北京、潍坊）重复验证。单倍型分析发现Hap-E单倍型在现代品种中频率从3%提升至13.6%，与其高表达特性和大粒表型高度吻合。

进化与育种选择

群体遗传学分析揭示，虽然CHLI-A在90%地方品种中保留，但在华北主产区约25%品种中缺失。值得注意的是，四倍体小麦从带壳到自由脱粒的驯化过程中，CHLI-A频率从87.5%升至93.4%，暗示其在产量形成中的保守作用。

这项研究首次证实光合作用效率是小麦产量的限制因子，突破了"源-库"平衡的传统认知。CHLI-A的剂量效应表明，即使在含有该基因的品种中，进一步提高表达量仍可增产，这为分子设计育种提供了明确方向。研究者提出的单倍型标记Hap-E（由672,874,987 bp和672,875,331 bp位点的C-T突变界定）可直接用于分子标记辅助选择。该发现不仅丰富了作物产量形成的理论基础，更开辟了通过优化光合网络实现产量突破的育种新途径。