New Phytol | 大麦花器官命运的生长素相关调控及tweaky spike突变体的遗传...

来源：市场资讯

（来源：小麦研究联盟）

大麦（Hordeum vulgare）等麦类作物的花序结构直接决定每穗小穗数和颖花数，是影响籽粒产量的关键农艺性状。在生殖发育过程中，茎顶端分生组织转变为穗分生组织，随后在穗轴各节位依次起始三联小穗分生组织，并进一步分化为一个中央小穗和两个侧生小穗。小穗内部则遵循高度协调的器官特异性分化程序。经典花发育ABC模型显示，禾本科作物的特异器官浆片（lodicule，同源于双子叶植物的花瓣）由A类和B类基因协同调控，其在开花期的快速吸水膨胀对于颖花开放和授粉至关重要。生长素作为植物关键的形态发生素，在穗分生组织活性维持、器官原基起始以及花器官身份确立中扮演着核心角色。大麦经典隐性多效突变体tweaky spike（tw）表现出独特的穗拓扑结构畸变（穗基部不育、顶部形成类似王冠的过度发育小穗）以及浆片向生殖器官同源转化等表型。然而，自20世纪70年代创制以来，该突变性状的致病遗传位点及其背后的激素调控机制始终未被系统阐明。

论文概要

维尔纽斯大学的Vėjunė Pukenytė团队在《New Phytologist》发表题为“Auxin-related regulation of barley floral organ fate: genetic and phenotypic insights from tweaky spike mutants”的论文，揭示了大麦tw多效突变表型由AP2类转录因子编码基因HvAP2L5的功能丧失所引起，并阐明该基因缺失通过破坏内源生长素平衡进而扰乱穗分生组织确定性与花器官身份分化的分子生理机制。

主要研究结果介绍

1. tw突变体引起大麦农艺性状与穗花形态的多效性变异

研究团队对涵盖不同遗传背景的tw等位突变系进行了连续三年的农艺性状调查。结果表明，与野生型相比，所有tw等位系均表现出极为一致的穗长缩短、芒长变短、单穗籽粒数减少以及穗基部不育小穗数增加（图1a-c,f）。此外，突变体株高显著增高，单株分蘖数明显增多，表明该突变同时调控营养生长与生殖发育过程（图1d,e）。

在花序和颖花微观形态结构上，tw突变体展现出一系列标志性畸变，包括：穗基部小穗退化不育、穗轴节间伸长导致小穗脱失（穗裂隙，spike gap）、穗顶端形成多花超数小穗聚拢的“冠状穗顶”（crowned spike tip），以及小穗顶端出现异常对生小穗（图2a）。在颖花内部，野生型包含两枚浆片、三枚雄蕊和一枚雌蕊（图2b）；而在tw突变体中，浆片高频率转变为雄蕊状或雌蕊状器官（转变率最高可达87.0%），且雄蕊与雌蕊数量发生严重紊乱（雄蕊数1–5枚，雌蕊数0–2枚）（图2c-f）。

2. 全基因组重测序结合结构变异分析锁定因果基因HvAP2L5

为克隆tw致病基因，研究人员利用两个独立突变系（tw和tw2）与野生型回交构建F2分离群体，遗传分析显示该性状符合单基因隐性遗传规律。基于MutMap混池重测序技术，全基因组SNP-index关联分析将候选区间定位于5H染色体530–580 Mb区域内（图3a）。然而，该区间内的SNP位点均无法合理解释突变表型。

进一步利用结构变异检测软件dysgu分析测序深度和双端比对特征，研究团队在该区间内精准识别出一个大片段基因组物理缺失（图3b）。该缺失跨越染色体5H的561,657,565至561,904,320 bp区域，完全覆盖了AP2类转录因子编码基因HORVU.MOREX.r3.5HG0525620（即HvAP2L5）。对整个tw等位突变库（tw, tw1, tw2, tw4–tw10）进行PCR扩增与Sanger测序证实，除tw1外，其余突变系均携带HvAP2L5全编码框的完全缺失。序列比对显示，tw1保留了完整的开放阅读框，但其5' UTR上游紧邻区域存在一个62 bp的非编码缺失，RT-qPCR证实该启动子突变导致HvAP2L5在胚芽鞘期发生转录沉默，在幼穗发育期表达量亦大幅下调（仅为野生型的极低水平）。通过CRISPR/Cas9技术在受体材料'Golden promise'中敲除HvAP2L5，T0代敲除株系（tw.c1）完全重现了冠状穗顶与浆片向生殖器官转化的特征性tw表型，无可辩驳地确立了HvAP2L5为tw突变表型的因果基因。

3. HvAP2L5的时空表达特征与营养生长调控

表达谱检测显示，HvAP2L5在野生型大麦的多个发育时期均有转录活性。其表达峰值出现在早期幼苗的胚芽鞘（相对丰度0.954）以及植株进入穗分化起始期的第5叶期叶片（相对丰度0.879），并在生长发育中的幼穗内持续稳定表达（图4a）。在麦类作物分蘖期，该基因的高丰度表达与分蘖芽生长受抑相吻合。tw突变体中显著增多的分蘖数证实，HvAP2L5不仅是穗部发育的主效因子，还在营养生长阶段充当腋芽分生组织起始或伸长的负调控因子。

4. 内源生长素匮乏是引发tw多效性缺陷的核心生化基础

鉴于以往表型拯救实验提示该突变可能波及激素代谢，研究团队通过超高效液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）和高性能薄层色谱（HPTLC）对组织内源生长素进行了精确定量。结果显示，与野生型相比，所有受检的tw等位突变系在胚芽鞘及发育中幼穗的游离吲哚-3-乙酸（free IAA）及其结合态衍生物总浓度均显著下降（图4b）。qPCR分析进一步显示突变体幼穗中生长素转运及响应基因（如AUX1/LAX1, LAX2/LAX3, ARF3b）的转录表达出现紊乱。

外源植物激素喷施实验进一步揭示了生长素的主导作用（图4c-f）。在小穗原基起始阶段对野生型植株外源喷施人工合成生长素（2,4-D），可诱导出冠状穗顶和穗裂隙等类似tw突变体的表型（表型拟表，phenocopy）（图4c,d）。相反，对tw突变体外源补充适量2,4-D，则显著降低了冠状穗顶的发生频率、减轻了浆片向生殖器官的异位转化，并纠正了花器官数量变异（表型拯救，phenotype rescue）（图4c-f）。外源细胞分裂素（BAP）和赤霉素（GA3）虽能微弱改变个别性状，但缺乏一致性的全局调控效果。上述发现表明，HvAP2L5突变首要扰乱了生长素的生物合成与稳态平衡，局部生长素梯度的崩溃进而波及其他激素的串扰网络，导致分生组织程序性终止失败和小穗不育。

5. 禾本科花器官确定性的A类基因剂量效应与背景修饰

在被子植物花器官形态发生模型中，HvAP2L5隶属于A类器官身份基因。A类基因功能的减损会使C类心皮决定基因的抑制解除，导致外轮器官向心皮或雄蕊发生同源转化，这在tw突变体浆片向雄蕊/雌蕊转化的表型中得到了充分体现（图2c-e）。

同时，研究观察到tw等位突变体在不同农艺背景和突变类型间存在表型表达度（expressivity）的不稳定性。例如，携带启动子缺失突变的tw1由于在幼穗发育期仍保留微量转录活性，其浆片转化率最低且未出现明显的穗裂隙；而在不同野生型背景（AII与A3）下，相同无效等位基因的颖花畸变严重程度亦存在显著差异。这表明大麦基因组中其他A类旁系同源基因（如HvAP2L2）以及潜在的修饰基因提供了部分功能代偿，突显出禾本科花器官发育网络中广泛存在的基因剂量依赖性与遗传缓冲机制。

全文总结与展望

本研究通过对大麦经典突变体tw等位系列的系统性解析，明确阐明了HvAP2L5基因丧失功能是诱发麦类作物异常穗型与颖花器官同源转化的根本诱因。该研究不仅拓宽了对禾本科AP2类基因在穗轴节间发育、小穗确定性以及浆片身份维持中保守与分化功能的认知，更首次从激素代谢与稳态层面建立了“AP2L转录因子—生长素合成/转运梯度—分生组织活性与花器官特异性分化”的统一发育工作模型。

这一结论解释了为何维持精准的局部生长素浓度梯度对于禾谷类作物的穗粒数发育至关重要。未来研究可通过高分辨率空间转录组结合单细胞水平生长素传感器，在细胞尺度进一步解析HvAP2L5调控生长素关键合成酶及转运蛋白的分子靶标；此外，深入挖掘HvAP2L5优异等位变异或弱功能突变在增加小穗密度、优化颖花开放性能及防御麦类赤霉病（Fusarium）中的育种潜力，将为麦类作物高产稳产与理想株型分子设计提供重要的理论支撑与基因资源。

研究团队与资助

该研究的第一作者兼通讯作者为立陶宛维尔纽斯大学生命科学中心生物科学研究所的Vėjunė Pukenytė，立陶宛自然研究中心、立陶宛农林研究中心以及爱沙尼亚乡村研究与知识中心的研究人员共同参与了该项工作。本研究获得了立陶宛研究理事会（Research Council of Lithuania）项目（资助号：S-MIP-24-122）以及维尔纽斯大学青年学者科学促进基金项目（MSF-JM-15/2024）的资助。

DOI链接： https://doi.org/10.1111/nph.71533