Plant Cell | 麦稻直系同源基因功能分�...

来源：市场资讯

（来源：小麦研究联盟）

研究背景

在植物生物学研究中，将模式植物（如拟南芥）的研究成果转化为农作物增产性状一直面临巨大挑战。相比之下，水稻作为单子叶禾本科的模式物种，其研究成果常被认为更容易通过“直系同源（Orthology）推断”转移到小麦等近缘作物中。理想株型基因OsSPL14（又称IPA1）是水稻中的明星基因，它通过调控分蘖数、穗分支等性状，显著提升了水稻产量。然而，直系同源基因是否在功能上绝对保守？小麦中的OsSPL14同源基因是否也遵循相同的调控逻辑？这一问题不仅具有演化生物学意义，更直接影响到作物精准育种的策略选择。

论文概要

华中科技大学李引、何光源、杨广笑团队与武汉轻工大学涂敏团队在 The Plant Cell 发表了题为“TaSPL14-D diverged from its ortholog to regulate tiller angle in rice: a caveat for orthology-based functional inference”的论文，揭示了小麦直系同源基因TaSPL14-D在功能上与水稻OsSPL14发生了显著分化：TaSPL14-D在水稻中表现为转录抑制子，通过与OsbHLH089/094相互作用并抑制生长素相关基因的表达，进而增大分蘖角。 这一发现为基于同源性的基因功能预测敲响了警钟，强调了在不同物种间进行功能转移时必须进行实验验证。

主要研究结果介绍

TaSPL14与OsSPL14在表达模式与蛋白属性上的分化

研究团队首先比对分析了小麦TaSPL14与水稻OsSPL14（IPA1）的时空表达谱。结果显示，TaSPL14在小麦的幼穗、分蘖基部和分蘖芽中高表达，而IPA1主要在幼穗中发挥作用（图1A-C）。在水稻中异源表达TaSPL14启动子驱动的GUS报告基因，进一步证实了其在胚芽鞘、茎基部、节间和旗叶中的高活性（图1D）。

序列比对发现，两者同源性仅约66%。更关键的分化在于转录调控活性：双荧光素酶报告系统和酵母实验表明，TaSPL14-D在烟草和酵母中均表现为转录抑制子，而众所周知，IPA1是一个典型的转录激活子（图1F）。这暗示了两者在分子功能层面可能存在根本性差异。

图1

TaSPL14-D在水稻中显著增大分蘖角

为了探究TaSPL14-D的功能，研究者构建了过表达TaSPL14-D的水稻转基因植株。表型分析显示，与野生型（分蘖角约23°）相比，转基因水稻的分蘖角显著增大，平均达到63°（图1G-K）。通过显微观察发现，这种分蘖角的增大是由于分蘖节处细胞生长更加对称导致的（图1L）。此外，转基因植株的叶片角度也随之变大（附图S4），但茎秆伸长速率与野生型基本一致。这些表型与IPA1在水稻中主要调控分蘖数和穗型，且通常缩小分蘖角的效应完全不同。

TaSPL14-D减弱了水稻的向重力性反应

由于分蘖角受向重力性控制，研究团队测试了转基因水稻的向重力性响应。实验发现，过表达TaSPL14-D的水稻茎基部在受到重力刺激后，其弯曲程度明显弱于野生型（图1N, O）。

进一步检测发现，转基因水稻分蘖基部的生长素（IAA）含量显著低于野生型（图1M）。在向重力性响应过程中，水稻生长素响应基因（OsIAA20/1、OsARF23）、生物合成基因（OsAUX1、OsYUCCA1-7）以及运输基因（OsPIN1/2/5b）在茎基部上下侧的表达水平均显著下降（图1P）。这表明TaSPL14-D通过抑制生长素的生物合成和响应通路，削弱了水稻的向重力性响应，从而导致分蘖斜向生长，增大分蘖角。

TaSPL14-D通过独特的下游网络发挥作用

为了厘清分子机制，研究者通过RNA-seq分析了转基因水稻的茎基部。结果显示，TaSPL14-D下调的基因显著富集在植物激素、代谢和物质运输路径（图2B, C）。

令人惊讶的是，将TaSPL14-D影响的差异表达基因（DEGs）与已知的IPA1靶基因进行比对，发现两者重叠度极低（图2E-H）。IPA1在幼穗和茎尖中的核心靶基因几乎均未出现在TaSPL14-D的调控列表中。利用小麦Taspl14/17突变体进行的转录组对比也证实，TaSPL14在小麦中的调控网络也与水稻IPA1的网络存在显著差异。这有力证明了TaSPL14-D并非通过预期的IPA1传统通路来调控株型。

图2

TaSPL14-D与OsbHLH089/094协同调控生长素基因

通过Co-IP结合质谱（LC-MS/MS）分析，研究团队鉴定到了与TaSPL14-D相互作用的蛋白质。其中，bHLH家族转录因子OsbHLH089脱颖而出。Y2H、BiFC、GST pull-down和Co-IP等多种生化手段证实，TaSPL14-D能与OsbHLH089形成异源二聚体，且TaSPL14-D自身能形成同源二聚体（图2M-Q）。

进一步研究发现，TaSPL14-D和OsbHLH089均能直接结合生长素转运基因OsPILS7a和响应基因OsSAUR11的启动子（图2R-U）。双荧光素酶实验证明，TaSPL14-D和OsbHLH089单独均能抑制这些基因的表达，且两者具有显著的协同抑制效应（图2V, W）。

全文总结与展望

本研究通过精细的跨物种比较功能基因组学研究，证明了小麦TaSPL14-D在水稻中通过一种与其直系同源基因OsSPL14完全不同的机制调控分蘖角。TaSPL14-D不仅在时空表达上发生了漂变，更在分子层面转变为转录抑制子，通过与bHLH蛋白相互作用，负调控生长素通路，进而影响向重力性。

这一研究具有重要的科研预警意义：在利用模式生物知识指导作物育种时，不能简单地假设“直系同源即功能相同”。物种在长期的演化过程中，即便核心基因家族（如SPL家族）成员被保留，其调控极性（激活或抑制）和下游靶标也可能发生巨大分化。这一发现提醒育种家和遗传学家，在进行基因功能转化和精准育种方案设计时，必须充分考虑物种间的演化差异。

研究团队与资助

该研究由华中科技大学生命科学与技术学院李引教授、何光源教授和杨广笑教授团队主导。华中科技大学博士生Li Li 、Fu Shi和Canghao Du为论文共同第一作者。华中科技大学李引教授、何光源教授、杨广笑教授以及武汉轻工大学屠敏副教授为论文共同通讯作者。研究得到了湖北省国际科技合作计划、国家自然科学基金、华中科技大学“双一流”专项资金等项目的资助。

DOI 链接：https://doi.org/10.1093/plphys/kiag459