JIPB｜中国农业科学院作物科学研究所和四川农业大学等合作揭示miR168a-TaAGO1b模...

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（来源：小麦研究联盟）

近日, 中国农业科学院作物科学研究所毛龙研究员团队在JIPB在线发表了题为"The miR168a-TaAGO1b module improves Fusarium head blight resistance and yield in wheat"的研究论文(https://doi.org/10.1111/jipb.70387)。该研究发现, 降低小麦miR168a的表达能够增强小麦对赤霉病 (Fusarium head blight, FHB) 的抗性, 同时改善穗部结构并提高田间籽粒产量; 进一步鉴定TaAGO1b为miR168a的重要靶基因, 并揭示miR168a-TaAGO1b模块与miR156-TaSPL17和miR444相关调控途径之间的联系。该研究为小麦抗病与高产性状的协同遗传改良提供了新的基因资源和调控靶点。

小麦是全球最重要的粮食作物之一, 其稳定生产对保障全球粮食安全具有重要意义。由禾谷镰刀菌 (Fusarium graminearum) 等病原真菌引起的小麦赤霉病会造成严重的产量损失, 培育赤霉病抗性品种是防控该病害最经济有效的途径之一。然而, 植物生长发育和免疫反应需要权衡有限的能量与物质资源, 因此抗病性和产量性状之间往往存在复杂的相互制约。如何发掘能够同时改善小麦抗病性和产量相关性状的关键调控因子, 是当前小麦遗传改良的重要研究方向。

microRNA (miRNA) 是一类长度约为20–24 nt的内源小RNA, 可通过调控靶基因表达广泛参与植物生长发育和逆境响应。miR168及其靶标ARGONAUTE1 (AGO1) 是植物小RNA调控网络中的重要组成部分, 但miR168-AGO1调控模块在六倍体小麦中的功能分化, 以及其是否参与小麦赤霉病抗性和产量形成, 此前尚不清楚。

研究内容

研究团队首先在小麦品种Fielder背景下构建了miR168a靶标模拟抑制材料 (MIM168) 和miR168a过表达材料 (OE168)。赤霉病单花接种结果表明, 与野生型相比, MIM168植株病小穗数量和病原菌生物量显著降低, 而OE168植株总体表现出更强的感病性。连续两年的田间接菌试验进一步验证了MIM168材料增强的赤霉病抗性。与此同时, MIM168感染籽粒中的脱氧雪腐镰刀菌烯醇 (DON) 积累显著降低。进一步研究发现, 降低miR168a水平后, 病原菌在小麦组织中的扩展受到明显抑制, 感染过程中H2O2积累增加, TaPR1和TaPR5等防御相关基因表达增强。这些结果表明, 抑制miR168a有利于激活小麦防御反应并限制禾谷镰刀菌的扩展 (图1)。

沉默miR168a增强小麦赤霉病抗性

除抗病性外, 研究团队进一步分析了miR168a对小麦产量相关性状的影响。MIM168植株表现出更长的穗、更高的小穗数和穗粒数, 而OE168植株则呈现相反表型。幼穗扫描电镜观察显示, MIM168在穗发育早期形成了更多的小穗原基, 表明miR168a参与调控小麦早期穗分生组织发育。连续两个生长季的田间试验进一步表明, MIM168材料的籽粒产量显著高于野生型, 其增产主要来源于穗粒数的增加 (图2)。

降低miR168a积累改善小麦穗部结构并提高田间籽粒产量

为解析miR168a的作用机制, 研究团队对小麦AGO1家族成员进行了进一步分析。5′-RLM-RACE和双荧光素酶报告实验表明, miR168a能够直接靶向TaAGO1b。利用CRISPR/Cas9获得TaAGO1b基因编辑材料后发现, ago1b突变体表现出更严重的赤霉病症状、更高的病原菌生物量以及更弱的病原诱导H2O2积累, 同时其穗长、小穗数、穗粒数和田间籽粒产量均显著降低; 这些结果表明TaAGO1b是miR168a参与小麦赤霉病抗性和穗部发育的重要功能靶标。

在此基础上, 研究团队结合小RNA测序 (sRNA-seq) 和转录组测序 (RNA-seq), 进一步分析miR168a-TaAGO1b模块相关的下游小RNA网络。在幼穗发育阶段, 降低miR168a积累伴随着miR156水平下降和TaSPL17表达升高。5′-RLM-RACE和双荧光素酶实验进一步支持miR156对TaSPL17的靶向调控, 而ago1b突变体中成熟miR156及其前体均明显积累, 表明miR168a-TaAGO1b模块与miR156-TaSPL17介导的穗部发育途径密切相关。

另一方面, 在赤霉病侵染条件下, 多组学分析筛选到与抗病反应相关的miRNA, 其中miR444受到重点关注。ago1b突变体中miR444及其前体水平升高, 而通过靶标模拟策略降低miR444积累后, 小麦植株表现出更少的病小穗和更低的病原菌生物量, 与BSMV介导的miR444沉默结果一致, 表明miR444是小麦赤霉病免疫的负调控因子。

综合以上结果, 该研究提出了一个以miR168a-TaAGO1b为核心的小RNA调控网络: 降低miR168a水平可提高TaAGO1b表达, 并伴随下游miRNA网络的重塑。在穗发育过程中, 该模块与miR156-TaSPL17途径相关, 促进穗部发育和穗粒数形成; 在禾谷镰刀菌侵染过程中, 则与miR444介导的免疫调控途径相关, 从而增强赤霉病抗性 (图3)。

图3 miR168a-TaAGO1b模块调控小麦穗部发育和赤霉病抗性的工作模型

研究意义

该研究揭示了miR168a-TaAGO1b模块在六倍体小麦中的功能特异性, 并表明通过调控单个miRNA可以同时改善多个重要农艺性状, 为培育兼具较高产量和赤霉病抗性的小麦新品种提供了新的分子靶点和理论依据。

研究团队

中国农业科学院作物科学研究所与四川农业大学联合培养博士生陈国亮、中国农业科学院作物科学研究所耿帅锋副研究员、博士生邓中印和博士生车育青为论文共同第一作者, 中国农业科学院作物科学研究所刘少帅助理研究员、李爱丽研究员、毛龙研究员、四川农业大学张敏教授为论文共同通讯作者。河北师范大学和山东农业大学等单位参与了该项研究, 该研究得到中国农科院科技创新工程、国家自然科学基金及山东省重点研发计划等项目的资助。

文章引用

Chen, G., Geng, S., Deng, Z., Che, Y., Wang, Z., Chen, T., Cui, D., Zou, X., Chen, Q., Xu, W., et al. (2026). The miR168a–TaAGO1b module improves Fusarium head blight resistance and yield in wheat. J. Integr. Plant Biol.https://doi.org/10.1111/jipb.70387