中国农科院作科所郝晨阳课题组发现控制小麦分蘖数和粒重平衡的新机制

植物科学最前沿 · 公众号 · · 2024-06-28 22:43

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小麦作为全球最主要的粮食作物之一，其产量直接关系到全球粮食安全。提高小麦产量一直是育种工作的核心目标。单株有效分蘖数、单穗粒数和粒重是决定小麦产量的三个关键要素。然而，在实际育种过程中，这三个产量要素之间存在着复杂的相互制约关系。单一产量要素的提高往往伴随着其他要素的降低，这限制了小麦产量的整体提升。因此，研究产量要素之间的平衡机制，通过株型的优化来打破这种制约关系，成为未来小麦育种和进一步提高产量的主要方向之一。然而，目前关于小麦分蘖数和粒重之间平衡机制的认识仍然不够清晰。

JIPB 近日在线发表了中国农业科学院作物科学研究所郝晨阳研究员课题组题为“ The TaGW2-TaSPL14 module regulates the trade-off between tiller number and grain weight in wheat ”的研究论文 ( https://doi.org/ 10.1111/jipb.13723 )。该研究发现小麦粒重调控因子 TaGW2 能够与株型调控因子 TaSPL14 发生互作，并介导了 TaSPL14 的泛素化降解，从而具有负调控小麦粒重和正调控小麦分蘖数的双重效应。

图 1. TaGW2-TaSPL14 模块调控小麦分蘖数与粒重之间的平衡

郝晨阳 课题组研究发现过表达 TaSPL14 基因导致分蘖数减少、粒重增加，而敲除 TaSPL14 则相反，表明 TaSPL14 具有负调控分蘖数、正调控粒重的作用。进一步通过酵母双杂交筛库发现 TaGW2 是 TaSPL14 的一个新的互作蛋白， TaGW2 能够介导 TaSPL14 的泛素化和蛋白降解，是 TaSPL14 的负调控因子。通过鉴定 TaGW2 过表达和基因编辑株系的表型，确定其除了已知的负调控粒重的作用外，还具有正调控分蘖数的作用，与 TaSPL14 作用相反。此外，关联分析发现 TaSPL14-7A 和 TaGW2-6A 的单倍型均与有效分蘖和粒重存在相关性，且两者的单倍型组合对有效分蘖和粒重表现出显著的加性效应。通过选择合适的单倍型组合，可以在不显著减少有效分蘖数的情况下提高粒重，展现出在小麦分子育种中的应用潜力。该研究揭示了 TaGW2-TaSPL14 是调节分蘖数和粒重相互平衡的新分子模块，并为其在提高小麦产量方面的潜在应用提供了新的见解。
郝晨阳 课题组近年来在粒重基因TaGW2的功能研究中取得了一系列进展，揭示了TaGW2不同单倍型的遗传效应及分子机制 (Qin et al., 2014；Liu et al., 2020)，以及在小麦叶锈病抗性等一因多效性中的作用 (Liu et al., 2024)。这篇论文进一步揭示了TaGW2在株型调控中的作用。博士后简超、硕士生 潘玉雪 和博士生 刘淑娟 为论文共同第一作者， 郝晨阳 研究员 、李甜 副研究员和侯健副研究员为共同通讯作者。 张学勇 研究员和美国俄克拉荷马州立大学 严六零 教授也参与了该项研究工作。本研究得到北京市自然科学基金、中国农科院科技创新工程等项目的资助。

参考文献：

Qin, L., Hao, C., Hou, J., Wang, Y., Li, T., Wang, L., Ma, Z., and Zhang, X. (2014). Homologous haplotypes, expression, genetic effects and geographic distribution of the wheat yield gene TaGW2 . BMC Plant Biol. 14: 107.

Liu, H., Li, H., Hao, C., Wang, K., Wang, Y., Qin, L., An, D., Li, T., and Zhang, X. (2020). TaDA1 , a conserved negative regulator of kernel size, has an additive effect with TaGW2 in common wheat ( Triticum aestivum L.). Plant Biotechnol. J. 18: 1330–1342.

Liu, S., Liu, H., Guo, M., Pan, Y., Hao, C., Hou, J., Yan, L., Zhang, X., Chen, X., and Li, T. (2024). Knockout of GRAIN WIDTH2 has a dual effect on enhancing leaf rust resistance and increasing grain weight in wheat. Plant Biotechnol. J. 22: 2007–2009.

文章引用：

J ian, C., Pan, Y., Liu, S., Guo, M., Huang, Y., Cao, L., Zhang, W., Zhang, X., Yan, L., Hou, J., Hao, C., and Li, T. (2024). The TaGW2-TaSPL14 module regulates the trade-off between tiller number and grain weight in wheat. J. Integr. Plant Biol.
https://doi.org/ 10.1111/jipb.13723

中国农科院作科所郝晨阳课题组发现控制小麦分蘖数和粒重平衡的新机制

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