Plant J | 基因剂量依赖性调控麦类作物花序与根系构型

来源：市场资讯

（来源：小麦研究联盟）

随着全球人口的持续增长，提高农作物产量以保障粮食安全已成为现代农业面临的重大挑战。小麦（Triticum aestivum）和大麦（Hordeum vulgare）作为全球最重要的禾本科谷物，其产量主要取决于单位面积的籽粒数，而这又与麦穗上的小穗数、小花数及籽粒大小密切相关。在控制花序构型的众多基因中，小麦的WHEAT FRIZZY PANICLE (WFZP)和大麦的COMPOSITUM 2 (COM2)是一对直系同源基因，编码AP2/ERF类转录因子。它们在抑制花序分枝生长和决定小穗分生组织特性中发挥着关键作用。此前的研究表明，这类基因的轻微突变（如“奇迹小麦”中的突变）能产生超数小穗，从而展现出增产潜力。然而，关于这类基因在完全丧失功能后的表型、小麦不同同源等位基因（特别是WFZP-B）的具体贡献，以及它们对地下根系发育的潜在影响，科学界仍知之甚少。

德国莱布尼茨植物遗传与作物研究所（IPK）的Christian W. Hertig、Ravi Koppolu、Thorsten Schnurbusch及Jochen Kumlehn团队在The Plant Journal发表题为“COMPOSITUM 2/ WHEAT FRIZZY PANICLE dosage dependently regulates inflorescence and root architecture in Triticeae cereals”的论文，揭示了小麦和大麦中AP2/ERF转录因子WFZP/COM2通过基因剂量效应精准调控花序形态、小穗育性及根系构型的分子遗传机制。

大麦rattail 1突变体丧失小花分生组织特性

大麦rattail 1（rtt1.a）突变体具有一种奇特的穗部表型，其花序极度分枝，形似老鼠尾巴。通过发育早期的显微观察，研究人员发现rtt1.a突变体的花序发育在颖片原基阶段便戛然而止。原本应发育成小花的分生组织，错误地逆转为了花序分生组织，导致分枝结构不断增殖，最终造成突变体完全不育（图1）。

为了锁定致病基因，研究团队对分离群体进行了遗传定位和候选基因测序。结果证实，rtt1的突变表型正是由COM2基因引起。在rtt1.a中，COM2基因发生了一个单核苷酸多态性（SNP）变异，导致其高度保守的AP2/ERF结构域中发生了一个关键氨基酸的替换（Phe91Leu）。通过将rtt1.a与另一种大麦突变体com2.g进行杂交，研究人员发现F1代杂合子的花序能够部分恢复小花分生组织特性，甚至偶尔结实。这一遗传等位性测试确凿地证明了COM2基因在决定小穗分生组织身份中的核心作用。

rtt1等位基因重塑花序发育的转录调控网络

为了揭示rtt1.a突变导致极度分枝的分子机制，研究团队对野生型和突变体的未成熟穗分生组织进行了RNA-seq转录组分析。数据表明，在rtt1.a突变体中，大量负责营养生长向生殖生长过渡的负调控基因（如SVP基因家族成员）表达量显著下调，而负责花器官特征决定的SEPALLATA类基因也遭到严重抑制（图2）。

此外，与器官边界建立（如CUC3基因）和细胞壁重塑相关的基因在突变体中也表现出明显的下调。更重要的是，通过启动子基序扫描，研究人员发现这些差异表达基因（DEGs）的调控区域高度富集COM2的共识DNA结合基序。这表明COM2可能作为主效转录因子，直接靶向调控上述基因，从而确保适时的生殖转化、器官边界确立以及小花身份的维持。

基因编辑揭示小麦WFZP等位基因的剂量效应

在明确了大麦COM2的功能后，研究团队利用CRISPR/Cas9基因编辑技术，对六倍体小麦中COM2的直系同源基因WFZP（包含A、B、D三个亚基因组拷贝）进行了靶向诱变。他们成功获得了14种可稳定遗传的WFZP突变等位基因，包括导致翻译提前终止的移码突变（敲除）以及不改变阅读框的框内突变（图3）。

表型分析揭示了功能性WFZP蛋白剂量对小麦育性的决定性作用。当小麦三个WFZP同源等位基因全部发生移码突变（完全敲除）时，植株表现出与大麦rtt1.a极其相似的严重穗分枝现象，且小花完全不育（图3）。值得注意的是，即使仅保留一个带有框内突变的WFZP-B等位基因，也无法挽救小花分生组织的发育；但如果保留的是一个带有框内突变的WFZP-D等位基因，则能部分恢复结实能力。这一结果不仅证明了功能性WFZP蛋白存在的绝对必要性，还首次揭示了小麦不同亚基因组中WFZP等位基因功能的微妙差异。

WFZP特定靶向突变组合协同提升产量与根系构型

为了评估不同WFZP突变组合的农艺潜力，研究人员在模拟田间环境下对多种等位基因组合的植株进行了系统的表型鉴定。结果表明，WFZP基因的特定突变能够显著改变植株的整体构型和产量构成（图4）。

当仅有一个或两个同源等位基因发生突变时，小麦展现出极具潜力的增产性状。例如，WFZP-A或WFZP-B的单基因突变导致植株变高，产生更多但较短的麦穗，小穗数增加，且千粒重（TGW）显著提高；而WFZP-A和WFZP-D的双基因突变组合则促使植株产生更多、更长的麦穗。在全株水平上，携带单个WFZP-B或WFZP-D突变，以及特定双突变组合的植株，其单株籽粒产量均显著高于野生型（图4）。这是科学界首次报道单独突变WFZP-B等位基因可以对小麦产量产生积极影响。

除了地上部分的表型，研究团队还利用自动化表型分析平台，首次揭示了WFZP对地下根系发育的调控作用。与野生型和WFZP-B敲除植株相比，WFZP-A敲除突变体表现出更长、分枝更丰富的根系网络，形成了更多的根尖端点，并伴随着地上部生物量的增加（图5）。这种发达的根系构型可能赋予了突变体更强的养分吸收能力，从而为其更高的产量潜力提供了物质基础。

蛋白结构模拟揭示DNA结合亲和力的改变

为什么大麦rtt1.a中仅一个氨基酸的替换（Phe91Leu）就会导致如此严重的突变表型？为了解答这一疑问，研究团队利用AlphaFold2和分子动力学（MD）模拟，对野生型和突变体的蛋白质结构进行了深入的计算机模拟分析（图6）。

预测结果显示，该氨基酸替换并未破坏AP2/ERF结构域的整体折叠，但显著改变了DNA结合界面的静电表面电荷分布。在野生型蛋白中，精氨酸Arg68和Arg72负责与DNA紧密结合；然而在rtt1.a突变体中，Phe91Leu的替换改变了局部电荷环境，使得Arg68不再稳定地与DNA碱基相互作用，而是偏离了DNA主链。这种DNA结合亲和力的丧失，完美解释了为何该点突变能引发与基因完全敲除同等严重的表型崩溃。

全文总结与展望

本研究通过跨物种的遗传学、转录组学和计算生物学综合分析，深入阐明了COM2/WFZP基因在麦类作物发育中的核心作用。研究无可辩驳地证明，WFZP/COM2蛋白以一种严格的“剂量依赖”方式调控着花序的形态建成、小穗育性以及根系分枝。完全丧失该基因功能会导致致死性的花序分枝与不育；而通过基因编辑精准创造和组合不同的同源等位基因突变，则能够在抑制过度分枝与增加小穗数之间找到完美的平衡点。

这项工作不仅刷新了我们对AP2/ERF转录因子调控机制的认知，更展示了WFZP在小麦株型、穗型和根系综合改良中的巨大应用前景。未来，通过现代智能育种手段，针对优良商业品种的WFZP进行特定氨基酸位点的精细编辑，有望在不牺牲育性的前提下，培育出地上部产量更高、地下部根系更发达的超级高产小麦新品种。

研究团队与资助信息

本研究由德国莱布尼茨植物遗传与作物研究所（IPK）及德国马丁路德·哈勒维滕贝格大学的研究团队合作完成。论文的共同第一作者为Christian W. Hertig和Ravi Koppolu；共同通讯作者为Christian W. Hertig、Ravi Koppolu、Thorsten Schnurbusch以及Jochen Kumlehn。本项研究获得了德国联邦教育与研究部（BMBF）、欧洲研究委员会（ERC）以及德国科学基金会（DFG）等多项基金的联合资助。

DOI链接：https://doi.org/10.1111/tpj.71040