摘要：蔗糖在籽粒中的运输、卸载和代谢调控对籽粒淀粉的形成和填充起着关键性的决定作用。然而，至目前为止，关于蔗糖在籽粒中的卸载和分子调控网络尚不十分明确。因此，深入解析籽粒蔗糖代谢调控对产量性状形成的影响及其分子作用机理，有助于进一步提高作物的产量潜力。

蔗糖在籽粒中的运输、卸载和代谢调控对籽粒淀粉的形成和填充起着关键性的决定作用。然而，至目前为止，关于蔗糖在籽粒中的卸载和分子调控网络尚不十分明确。因此，深入解析籽粒蔗糖代谢调控对产量性状形成的影响及其分子作用机理，有助于进一步提高作物的产量潜力。

近日, 中国农业科学院作物科学研究所小麦基因资源发掘与利用创新团队在Plant Biotechnology Journal在线发表了题为“TaWUS-like-5D affects grain weight and filling by inhibiting the expression of sucrose and trehalose metabolism-related genes in wheat grain endosperm”的研究论文，该研究正向克隆并解析了小麦WUCHEL-related homeobox（Wox）家族成员基因TaWUS-like-5D在负向调控小麦籽粒蔗糖代谢和淀粉合成中的重要作用，揭示了TaWUS-like-5D通过调控籽粒蔗糖代谢、T6P糖信号以及激素平衡等途径而影响小麦籽粒发育、决定籽粒灌浆并最终调控小麦产量形成的重要分子作用机理。首次在重要粮食作物小麦中报道了Wox家族成员调控作物千粒重的关键作用。研究拓宽和补充了WUSCHEL家族基因在调控植物生长发育方面的功能，并为由Wox介导的小麦籽粒发育调控新机制和网络的全面解析以及种质改良等提供了可靠的科学理论依据和实际生产应用前景。

研究通过我国262微核心种质（MCC）的全基因组关联（GWAS）分析发现，在小麦5DS染色体108.08 Mb（CS V 2.1）处存在着一个与小麦籽粒TKW显著关联的数量性状QTL位点。该位点附近的SSR分子标记cfd78和cfd67均在多环境下与籽粒的TKW性状紧密关联（标记遗传距离1.6 cM）。进一步，课题组利用TKW性状差异显著的F2极端混池bulked segregant analysis (BSA) 测序定位分析，结合极端混池bulked segregant RNA-sequencing (BSR-seq)基因表达分析，确定了QTL区段内的候选基因为植物所特有的Wox家族成员基因TaWUS-like-5D（图1），该基因编码蛋白为核定位的WUS进化分枝转录因子，主要在早期发育籽粒（5-10d）的糊粉层、维管系统以及胚乳组织中优势表达。在小麦42个Wox家族成员中, TaWUS-like-5D是唯一在小麦籽粒中优势表达的家族成员基因，聚于禾本科作物独有的进化分枝上，蛋白序列与水稻（45.9%）和拟南芥（25.4%）的同源蛋白一致性很低。研究表明，在小麦KN199背景中采用RNAi干扰或CRISPR/Cas9基因编辑敲除TaWUS-like-5D，可分别显著提高籽粒千粒重2.9 g（P ）和4.0 g（P ）、单株产量分别增加10.0%（P ）和16.8%（P ）；而过表达（Overexpression，OE）株系则表现出相反的趋势，千粒重和单株产量分别显著下降3.4 g（P ）和48.3%（P ）（图2），证实TaWUS-like-5D是一个负向调控籽粒TKW和产量的重要基因。

图1 TaWUS-like-5D基因的BSA定位克隆和鉴定（a, b, c, d）以及基因单倍型的育种进化分析（e）

近年来，T6P调控主要谷类作物产量的潜在作用引起了人们广泛的关注（Liu et al.，2023，PBJ）。但关于T6P如何在小麦籽粒中应答蔗糖信号、并参与蔗糖代谢、调控作物产量性状形成的分子作用机理目前尚不十分清楚。该团队通过转基因过表达、RNAi介导的干扰沉默和CRISPR/Cas9介导的基因敲除突变技术、RNA-seq以及结合籽粒中糖、淀粉及激素含量测定等生理生化方法，系统研究了TaWUS-like-5D在小麦籽粒发育和蔗糖调控中的重要作用。

图2TaWUS-like-5D负向调控小麦TKW和籽粒灌浆的重要作用

图3 转基因过表达（OE）和CRISPER/Cas9基因敲除突变体株系中淀粉籽粒影像特征（d，e）分析

研究发现，TaWUS-like-5D过表达株系中的总淀粉、直链淀粉以及支链淀粉含量均下降明显（图3a，P ），籽粒影像特征显示过表达株系中的淀粉颗粒堆积松散，邹缩严重籽粒内部有较大空腔，显示淀粉填充的明显不足；A型淀粉粒的数量和直径，与野生型对照比，均显著减少和变小（图3b，3d；P 和P ）；而CRISPR基因敲除突变体（AABBdd）中的淀粉含量则增加明显（图3c），A型淀粉粒填充饱满、籽粒直径明显变大（图3e，3f；P ），证实了TaWUS-like-5D影响了小麦籽粒中的淀粉合成和灌浆。进一步的研究发现TaWUS-like-5D可能主要通过抑制蔗糖裂解、运输、T6P糖信号及激素合成相关基因的转录（图4a，4d）而影响了蔗糖向淀粉的转化和利用（图4b），进而降低了籽粒的灌浆，引起了籽粒TKW和产量的显著下降（图5模式图）。

图4TaWUS-like-5D下游调控基因的转录组分析（a）及转基因过表达（OE）株系中籽粒糖含量（b）和激素含量（d）的测定

图5 TaWUS-like-5D调控小麦籽粒灌浆的可能分子机理

蔗糖和T6P是调控籽粒发育和灌浆的两个关键信号糖，处于中心枢纽地位。该创新团队的初步研究表明，TaWUS-like-5D是一个能够同时靶向籽粒中的蔗糖代谢和T6P含量水平（信号途径）的重要转录因子，从而间接证实了小麦籽粒发育过程中，蔗糖与T6P信号途径间存在互动应答和反馈调节机制。这一发现将为深入解析籽粒灌浆机制、揭示灌浆调控网络以及小麦种质遗传改良等提供新的研究思路和基因资源。

该论文第一作者为中国农业科学院作物科学研究所刘红霞副研究员，博士/硕导，研究方向为小麦功能基因组学，通讯作者为中国农业科学院作物科学研究所张学勇研究员、郝晨阳研究员和刘红霞副研究员。该研究得到国家重点研发计划、农业生物育种国家科技重大专项、国家自然科学基金项目和中国农业科学院创新工程等项目的资助。

原文链接：

小麦族多组学网站：http://wheatomics.sdau.edu.cn

投稿、合作等邮箱：shengweima@icloud.com

来源：新浪财经