一作解读 | Plant Com中国农科院作科所联合山东农科院作物所发现VRN1协同调控小麦抽穗期和株高的新机制

摘要：小麦是重要的粮食作物，探索小麦抽穗期和株高的协同调控机制具有重要的科学意义和应用价值。小麦春化基因VERNALIZATION1（VRN1）编码一个MADS-box转录因子，是冬小麦春化途径的核心调控因子。然而，关于VRN1如何协同调控小麦抽穗期和株型建成的分子

小麦是重要的粮食作物，探索小麦抽穗期和株高的协同调控机制具有重要的科学意义和应用价值。小麦春化基因VERNALIZATION1（VRN1）编码一个MADS-box转录因子，是冬小麦春化途径的核心调控因子。然而，关于VRN1如何协同调控小麦抽穗期和株型建成的分子机制尚不清楚。

近日，中国农业科学院作物科学研究所小麦产量性状解析与设计研究组联合山东省农业科学院作物研究所小麦遗传育种团队在Plant Communications杂志上在线发表了题为“VRN1 regulates heading and plant height in wheat by activating gibberellin biosynthesis”的论文。该研究发现VRN1通过直接激活赤霉素生物合成协同调控小麦抽穗期和株高的分子机制。

为了阐明VRN1在小麦中的作用机制，该研究通过基因编辑获得了vrn1-aa、vrn1-bb、vrn1-dd和vrn1-aabbdd系列突变体（图1）。结果表明，三个单突变体的抽穗期呈现不同程度的延迟，而相比单基因突变体，vrn1-aabbdd三个基因的纯合突变体表现出更为严重的抽穗期延迟和株高降低表型。相反，过表达VRN1-5A转基因小麦植株表现出抽穗期提前和株高增加的表型。这说明VRN1协同调控小麦抽穗期和株型建成。通过对野生型Fielder和vrn1-aabbdd三突变体中内源活性赤霉素水平的测定，发现vrn1-aabbdd三突变体中GA3水平显著降低。同时，赤霉素合成途径基因表达分析表明，vrn1-aabbdd三突变体中赤霉素合成关键限速酶基因的转录表达水平显著降低。进一步，双荧光素酶报告系统、酵母单杂交和ChIP-qPCR试验结果证明VRN1能够直接结合在赤霉素合成基因TaGA13ox1和TaGA20ox2的启动子上并激活其转录表达。此外，外源GA3处理能够不同程度地恢复vrn1-aa、vrn1-bb、vrn1-dd 和vrn1-aabbdd的株高和抽穗期表型。这说明VRN1通过直接激活赤霉素合成关键基因的转录表达来满足小麦抽穗和株型建成所需要的赤霉素水平。综上，该研究揭示了小麦春化途径核心调控因子VRN1通过直接激活GA合成途径来协同调控小麦抽穗期和株型建成的分子机制，为小麦多性状协同改良提供了理论基础。