美国加州大学戴维斯分校研究团队解析控制小麦和黑小麦株高的新机制

摘要：减少高度（RHT）矮化等位基因Rht-B1b和Rht-D1b在“绿革命”中发挥了重要作用。RHT1基因编码的DELLA蛋白参与赤霉素（GA）途径，其截短形式导致GA不敏感的Rht1b等位基因。虽然Rht1b优化了植物高度、减少了倒伏并改善了收获指数，但也降低了

减少高度（RHT）矮化等位基因Rht-B1b和Rht-D1b在“绿革命”中发挥了重要作用。RHT1基因编码的DELLA蛋白参与赤霉素（GA）途径，其截短形式导致GA不敏感的Rht1b等位基因。虽然Rht1b优化了植物高度、减少了倒伏并改善了收获指数，但也降低了地上生物量和胚芽鞘长度，从而限制了播种深度和获取深层水分，这促使寻找负面效应较少的GA敏感矮化基因。小麦的高度受复杂遗传网络调控，其中包括miR172和AP2L模块。miR172在生殖过渡期间被诱导，调控开花时间和植物高度。通过转基因技术降低miR172活性可以生成短株并增加穗的紧凑性。针对AP2L基因的突变可产生抗性等位基因rAp2l。

在本研究中，通过化学诱导的rAp2l-A2和来自六倍体小麦的rAp2l-B2等位基因以及多种CRISPR诱导的突变体，评估了它们对植物高度的影响。

rAp2l-A2 EMS突变在半矮株Kronos中使茎长减少了21%，而将rAp2l-B2等位基因引入Kronos或Kronos-rAp2l-A2背景中，使茎长减少了43–45%。接下来，使用CRISPR-Cas9和特异性靶向AP2L-B2的miR172靶位点的gRNA，因为AP2L-A2存在一个多态性，妨碍了gRNA靶点。大多数CRISPR突变都是在miR172靶位点的小帧移插入缺失（indels），该位点位于保守AP2域的下游，接近终止密码子（图1a）。无论是帧内插入缺失还是帧移插入缺失均产生了半显性矮化效应，表明在基因末端的阅读框破坏对AP2L2活性的影响有限。rAp2l-B2等位基因的显性效应在高大Rht-B1a植物（图S2b、c）和半矮株Rht-B1b背景（图S2d，数据S2）中相似。在Rht-B1a和Rht-B1b背景中，独立的T2编辑系中不同突变的纯合体表现出显著的植物高度效应，具体取决于突变。Rht-B1a背景中最强的rAp2l-B2等位基因使植物高度降低至与Rht-B1b相似的水平（图1b、c），这表明它们可以用来替代Rht1b等位基因。

rAp2l-B2植物显示出更高的小穗密度（图1d），这是由于穗长减少和每穗小穗数略微增加。在Rht-B1a背景下，编辑系的抽穗时间延迟了1.8–2.9天，与Rht-B1b产生的延迟相当（图1e）。与rAp2l-B2等位基因相关的抽穗时间延迟在Rht-B1b姐妹系中稍微更强。最后，带有和不带有rAp2l-B2突变的植物在Rht-B1a（图1f、g）和Rht-B1b背景中的胚芽鞘和第一叶长度相似。总之，这些结果表明，rAp2l-B2等位基因可以用于降低植物高度，而对穗的结构或抽穗时间的表型效应有限，并且在胚芽鞘长度上相对于Rht1b等位基因具有有利影响。

高效的CRISPR载体使得在优良背景中快速诱导不同的rAp2l2矮化等位基因成为可能，而无需耗时的交配。为了展示这一策略，作者为黑小麦品种“UC-Bopak”（PVP 202100269）生成了半矮株突变体。黑小麦是一种人造的六倍体，结合了小麦和黑麦（AABBRR基因组），提供显著高的生物量和粮食产量。然而，许多小麦黑麦草品种的高大植株以及它们较大且较重的穗可能导致倒伏增加。我们使用相同的gRNA转化UC-Bopak，靶向AP2L-B2和AP2L-R2同源基因中的miR172结合位点（图1h）。在温室条件下，我们观察到编辑系的植物高度显著降低（图1h、i），在两种基因组中都有突变的系更大。植物高度与突变对miR172结合能的预测效应呈负相关，在AP2L-R2突变的系中（R = −0.94）和同时在AP2L-B2及AP2L-R2突变的系中（R = −0.73）。黑小麦与小麦结果的组合统计分析（图1a–c）显示这种相关性非常显著（P = 0.0014）。通过选择不同组合的rAp2l2突变，发现能够精确调节黑小麦的株高（图1i），而不影响胚芽鞘和第一叶长度或抽穗时间（图1j）。编辑的植物显示出更紧凑的穗，但小穗数相同。

最后，作者在连续两年的田间条件下评估了AP2L-B2（B）或AP2L-R2（R）的miR172靶位点有1-bp缺失的系。在2023年，使用头行，在2024年使用小产量小区作为实验单位（图1k–n）。具有1-bp缺失的植物在第一年短了17–18厘米，在第二年短了12–14厘米（图1l），表明与环境存在一些相互作用。

综上所述，发现rAp2l-B2显著降低了植物高度，同时增加了小穗密度和延迟了抽穗时间，且对胚芽鞘和第一叶长度影响有限，显示出优良的育种潜力。