2022年8月12日，我院植物免疫研究團隊在The Plant Cell 發(fā)表了題為“A gain-of-function allele of a DREB transcription factor gene ameliorates drought tolerance in wheat”的研究論文。該研究發(fā)掘了小麥抗旱基因 TaDTG6-B 并揭示了其功能獲得性等位變異調(diào)控小麥抗旱性的分子遺傳機理。
小麥是全球干旱、半干旱地區(qū)的主要糧食作物，保障旱區(qū)小麥安全高效生產(chǎn)，對確保我國乃至世界糧食安全具有舉足輕重的地位和作用。但是，隨著全球氣候的變化，小麥生產(chǎn)受到非生物脅迫危害日益嚴重，其中干旱脅迫已經(jīng)成為限制小麥生產(chǎn)的主要非生物逆境因子之一。因此，挖掘小麥抗旱基因、揭示小麥抗旱性特異調(diào)控的分子機理及遺傳網(wǎng)絡(luò)，對于小麥抗旱遺傳改良、培育抗旱小麥新品種具有重要意義。近年來，隨著各種植物基因組測序的開展，越來越多的全基因組關(guān)聯(lián)研究(GWAS)表明，非編碼調(diào)控區(qū)遺傳變異引起的基因表達變化是導(dǎo)致作物進化和馴化過程中抗逆性差異的重要原因。然而，基因編碼區(qū)遺傳變異如何影響基因功能以及作物抗逆性的機制仍然知之甚少。為此，該研究利用不同來源的小麥自然變異群體，通過全基因組關(guān)聯(lián)分析研究策略，克隆了小麥抗旱基因 TaDTG6-B ，該基因編碼一個DREB轉(zhuǎn)錄因子。
在此基礎(chǔ)上，研究人員對281份小麥材料 TaDTG6-B 基因序列進行了精細的測序分析，通過候選基因關(guān)聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)， TaDTG6-B 編碼區(qū)26-bp堿基的插入/缺失（InDel574）與小麥苗期抗旱性變異顯著關(guān)聯(lián)。在干旱敏感的小麥材料中， TaDTG6-B In574基因編碼的DREB蛋白不能與其他輔助因子互作，且不能與DRE/CRT順勢作用元件結(jié)合，因而喪失了轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控功能；而在抗旱小麥材料中， TaDTG6-B Del574編碼區(qū)缺失了26-bp的DNA片段，造成移碼突變，使得其編碼的DREB蛋白具有較強的蛋白互作能力，并且能夠與DRE/CRT順勢作用元件結(jié)合進而調(diào)控下游基因表達。進一步研究發(fā)現(xiàn)，將 TaDTG6-B In574基因在小麥中過表達并不能改善轉(zhuǎn)基因小麥的抗旱性，而 TaDTG6-B Del574過表達則能夠顯著增強小麥抗旱性， TaDTG6-B Del574基因沉默后小麥抗旱性明顯降低，表明功能獲得性等位基因 TaDTG6-B Del574在調(diào)控小麥抗旱性方面具有重要作用。此外，通過雜交和連續(xù)回交的方法，將優(yōu)異等位基因 TaDTG6-B Del574導(dǎo)入干旱敏感的材料中，能有效提高小麥幼苗的抗旱性。
進一步結(jié)合RNA-seq和DAP-seq數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，功能獲得性等位基因 TaDTG6-B Del574編碼的DREB蛋白能夠直接靶向并誘導(dǎo)參與水分脅迫應(yīng)答、ABA響應(yīng)、冷脅迫應(yīng)答、蛋白磷酸化和次生代謝等生物學途徑基因的表達。此外，研究還發(fā)現(xiàn)TaDTG6-BDel574 通過結(jié)合并激活 PIF 轉(zhuǎn)錄因子基因 TaPIF1 ，進而增強小麥抗旱性。
TaDTG6-B Del574功能獲得等位基因作用模式
該研究挖掘并獲得了小麥抗旱相關(guān)的功能獲得性等位基因 TaDTG6-B Del574，解析了其調(diào)控小麥抗旱性變異的分子機理，對小麥抗旱遺傳改良具有重要意義，為小麥抗旱新品種的培育提供了重要的基因資源和選擇靶點。
西北農(nóng)林科技大學康振生教授和毛虎德研究員為該論文的通訊作者，研究生梅方明和陳斌為論文的共同第一作者。旱區(qū)作物逆境生物學國家重點實驗室實驗平臺為論文完成提供了技術(shù)支持。該研究得到了國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃、陜西省重點研發(fā)計劃等項目的資助。
編輯：劉小鳳
審核：郭 軍
