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我院在小麥穗下節(jié)間長基因的克隆和分子調(diào)控機(jī)制取得重要進(jìn)展

發(fā)布時(shí)間：2025-09-08

近日，我院研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合江蘇省農(nóng)科院研究團(tuán)隊(duì)在國際知名期刊Molecular Plant （中科院雙一區(qū)TOP期刊，2024年影響因子24.1，植物科學(xué)領(lǐng)域SCI期刊中排名居全球第一）上發(fā)表題為“PEDUNCLE LENGTH 1 regulates wheat peduncle elongation through brassinosteroid signaling pathway”的研究論文。柳洪副教授、支麗雅博士和喬華亮博士研究生為該論文的共同第一作者；李俊明教授、湯文強(qiáng)教授和江蘇省農(nóng)科院張娜副研究員為共同通訊作者。

株高是影響小麥株型結(jié)構(gòu)和產(chǎn)量潛力的關(guān)鍵農(nóng)藝性狀，其中穗下節(jié)作為連接旗葉與穗部的重要樞紐，不僅支撐植株高度，還承擔(dān)水分、養(yǎng)分運(yùn)輸及灌漿期碳水化合物臨時(shí)儲(chǔ)存與再動(dòng)員的功能，直接關(guān)系到籽粒灌漿效率及小麥最終產(chǎn)量。水稻中穗下節(jié)伸長調(diào)控機(jī)制已有較多研究，主要由GA失活蛋白EUI和EUI2調(diào)控；然而小麥中特異性調(diào)控穗下節(jié)伸長的基因與分子調(diào)控機(jī)制尚不明確。

該研究團(tuán)隊(duì)前期在穗下節(jié)短的品種科農(nóng)9204中鑒定到一個(gè)調(diào)控小麥穗下節(jié)伸長的主效QTL位點(diǎn)QFiritl-6B，并在本研究中將其精細(xì)定位至一個(gè)涵蓋四個(gè)注釋基因的1.4 Mb的基因組區(qū)間。通過親本序列比對(duì)分析發(fā)現(xiàn)，一個(gè)編碼MADS-box蛋白的基因TraesKN6B01HG34760在親本間存在10.7 kb的大片段缺失和多個(gè)SNP/Indel變異。基因表達(dá)分析進(jìn)一步表明該基因在近等基因系中差異表達(dá)，最終被確定為候選基因，并被命名為TaPL1。

功能驗(yàn)證顯示，過表達(dá)TaPL1可使穗下節(jié)長度增加28.4%，株高增加7.6%；而敲除突變體則出現(xiàn)穗下節(jié)縮短24.9-45.4%，株高降低7.9-16.7%的表型。值得注意的是，tapl1敲除系在千粒重和粒寬方面分別顯著增加3.1-8.5%和3.4-5.1%，表明該基因在協(xié)同調(diào)控小麥株型與籽粒發(fā)育中具有多效性。

機(jī)制研究表明，TaPL1通過調(diào)節(jié)BR信號(hào)通路調(diào)控穗下節(jié)伸長。轉(zhuǎn)錄組分析、外源激素處理與內(nèi)源激素含量測定結(jié)果一致顯示，TaPL1缺失導(dǎo)致BR信號(hào)響應(yīng)減弱。進(jìn)一步通過ChIP-qPCR、EMSA和雙熒光素酶報(bào)告實(shí)驗(yàn)證明，TaPL1可直接結(jié)合BR信號(hào)負(fù)調(diào)控因子TaBKI1-A1/B1的啟動(dòng)子區(qū)并抑制其表達(dá)。同時(shí)，TaPL1功能缺失還會(huì)引起赤霉素（GA）水平下降，表明BR與GA通路共同參與該過程，通過激素互作和交叉對(duì)話調(diào)控穗下節(jié)細(xì)胞的伸長。

研究還發(fā)現(xiàn)TaPL1的優(yōu)良單倍型TaPL1-K可降低穗下節(jié)長度與株高，同時(shí)增加粒重，在現(xiàn)代小麥品種中的分布頻率僅為9.0%，主要集中于河北冀中南麥區(qū)。該研究不僅揭示了TaPL1-BR模塊調(diào)控小麥穗下節(jié)伸長的分子機(jī)制，也為未來高產(chǎn)、抗倒伏小麥品種的分子設(shè)計(jì)育種提供了新的策略和遺傳資源。該研究得到國家自然科學(xué)基金、河北省自然科學(xué)基金和國家產(chǎn)業(yè)體系等項(xiàng)目的資助。