河南农大陈锋教授团队在小麦株型调控分子机制方面取得重要进展

分蘖角度是小麦重要农艺性状之一，同时也是小麦理想株型构成的关键因素，其影响小麦群体的光合效率与适应性，与小麦产量密切相关。培育分蘖角度适中的小麦品种能够有效地提高群体产量；解析小麦分蘖角度形成的分子调控机制可为小麦株型的遗传改良提供理论参考和基因资源。然而目前关于小麦分蘖角度基因克隆的研究仍鲜有报道，分子机制与作用网络仍不清晰。

2022年9月21日，国际知名学术期刊Plant Biotechnology Journal在线发表了河南农业大学完成的题为“A HST1-like gene controlled tiller angle through regulating endogenous auxin in common wheat”的研究论文。该研究利用正向遗传学手段克隆出控制小麦分蘖角度的重要基因TaHST1L，对其基因功能进行验证，并对其作用机制进行解析；研究同时对该基因序列变异进行分析，鉴定出有利单倍型并对其遗传演化进程进行追踪。该成果不仅加深了对小麦株型遗传基础的理解，同时为小麦株型和产量的分子改良提供了重要基因资源和理论基础。

作者利用包含349份小麦品系的自然群体进行全基因组关联分析（GWAS），在5A染色体上520–528 Mb区段内检测到一个调控小麦分蘖角度的主效遗传位点；同时利用一个分蘖角度显著减小的四倍体Kronos突变体（K2588），构建F2分离群体，通过BSA混池分析方法在相同染色体区段定位到控制小麦分蘖角度的遗传位点；通过分析认为两种定位方法检测到的为同一基因位点，并进一步将其限定在524.05–527.94 Mb之间、长约3.89-Mb的染色体区间内。进而借助BSR-seq方法，通过差异表达基因分析与序列分析确定TraesCS5A02G316400为候选基因。该基因注释为NAD依赖性脱乙酰酶HST1-like基因，将其命名为TaHST1L。

为了对候选基因功能进行初步验证，作者自四倍体小麦Kronos的EMS突变体库中分别筛选出候选基因A、B亚基因组提前终止类型的突变体，K2588（aaBB）与K1242（AAbb），通过与野生型回交纯合背景，同时两个突变体间进行杂交构建双突变体。表型鉴定结果显示，A组突变体aaBB和双突变体aabb与野生型相比，分蘖角度显著减小，同时分蘖数也显著降低，表明TaHST1L确实可能参与调控小麦分蘖模式。

为进一步明确TaHST1L功能，通过遗传转化获得候选基因的过表达植株及基因沉默植株，进行功能互补验证。同野生型相比，在轮选987与Fielder两种背景下的过表达植株分蘖角度均显著增大，同时分蘖数目也也显著增加；RNAi植株则表现为相反的趋势，分蘖角度及分蘖数目同野生型相比均显著降低。上述结果确定了TaHST1L的功能及候选基因的正确性。

为解析TaHST1L调控小麦分蘖角度的潜在作用机制，作者利用TaHST1L进行酵母文库筛选互作蛋白，鉴定出一个参与生长素信号转导的蛋白TaIAA17，并通过酵母双杂交和荧光素酶互补实验进行验证；烟草共表达及免疫印迹分析（Western-blot）进一步验证互作关系的存在，表明TaHST1L可能抑制TaIAA17的积累。对TaIAA17基因提前终止突变体的表型鉴定也表明该基因参与调控小麦分蘖角度。上述结果暗示TaHST1L可能通过与TaIAA17互作参与生长素信号转导通路。为验证这一猜想，对TaHST1L过表达植株进行转录组分析，结果显示共检测到143个参与生长素信号转导途径的差异表达基因，26个可能参与生长素生物合成的差异表达基因。利用过表达植株进行代谢组学分析结果，显示9个差异代谢物参与色氨酸代谢或生长素信号转导通路。随后对转基因株系中内源生长素含量进行测定，结果显示，同野生型相比，过表达植株中的生长素含量显著增加，而RNAi植株则显著降低。综合上述结果，推测TaHST1L通过与TaIAA17相互作用介导生长素信号转导通路，在调节内源生长素水平方面发挥了积极的关键作用，从而影响小麦分蘖模式。

进一步对现代小麦品种中的TaHST1L基因序列进行测序分析，结果显示启动子区域存在较大序列差异，并依据变异信息区分为3种基因单倍型。其中TaHST1L-A1a和TaHST1L-A1b两种单倍型的主要差异是位于启动子上的242-bp的插入缺失。对两种单倍型遗传效应分析显示，具有TaHST1L-A1b单倍型的品种较具有TaHST1L-A1a单倍型的品种拥有更大的分蘖角度，并据此推测含有242-bp插入的TaHST1L-A1b单倍型具有更强的转录活性。烟草系统中的GUS活性测定实验以及转基因水稻表型鉴定进一步证实了这个猜想。上述结果表明位于启动子上的242-bp的插入片段显著影响TaHST1L-A1的表达，并由此改变小麦植株的分蘖角度。

进一步研究发现，过表达TaHST1L-A1基因能够显著增加产量，而突变体则表现为产量降低。对243份小麦品种产量进行调查分析，结果显示同具有TaHST1L-A1a单倍型的品种相比，具有TaHST1L-A1b单倍型的品种具有更高的小区产量。因此认为TaHST1L-A1b为产量优良单倍型。进而对1140份小麦种质材料中的基因单倍型进行鉴定与分析，结果显示TaHST1L-A1b单倍型在地方品种中占比为5.9%，历史品种中占比34.5%，但在现代品种中占比高达66.0%，表明在TaHST1L-A1b单倍型在当前小麦育种中已被强烈驯化，同时也表明TaHST1L具有通过改良株型来提高小麦产量的潜力。进化分析显示TaHST1L-A1b可能来源于野生二粒小麦，并在栽培二粒小麦和圆锥小麦中经过人工驯化得以保留。

河南农业大学农学院赵磊副教授、博士生郑跃婷和王盈为论文的共同第一作者，陈锋教授为本文通讯作者，王沙沙、张坤普、张宁和董中东参与了此项工作。本课题从基因定位和克隆、功能验证、分子机制解析和进化分析，到最终发表，历时11年，感谢为本工作默默无闻付出的各位老师和同学。本研究得到了国家自然科学基金、河南省重大科技专项、河南省科技攻关等项目的资助。