小麦TaSPL13-2B基因通过茉莉酸信号通路提高小花结实率并增加每小穗的粒数

《Plant Biotechnology Journal》：Wheat TaSPL13-2B Improves Floret Fertility and Enhances Grain Number per Spikelet Through Jasmonic Acid Signalling Pathway

提高小麦产量的茉莉酸信号调控机制

　　这项研究聚焦于小麦中花序发育过程中花序小穗中花器官的可育性，以及植物激素信号和转录因子如何协同调控这一关键过程。通过深入分析，研究揭示了茉莉酸（JA）在提高花序小穗花器官可育性和增加每穗的籽粒数量中的作用，并进一步确定了TaSPL13-2B这一关键转录因子在调控JA信号通路中的具体机制。该研究不仅有助于理解小麦花器官可育性的调控网络，还为通过基因改良提高小麦产量提供了理论依据和实践方向。

### 植物激素与花器官可育性的关系

植物激素在调控植物生长发育中扮演着至关重要的角色，尤其在花序结构和籽粒产量的形成过程中。例如，细胞分裂素（CK）、生长素（IAA）和赤霉素（GA）已被广泛研究，发现它们在影响花器官存活率和籽粒产量方面具有重要作用。这些激素在不同小穗位置的浓度存在差异，例如，在水稻中，降低细胞分裂素氧化酶/脱氢酶2（OsCKX2）的表达可增加细胞分裂素水平并促进生殖器官的形成。而在小麦中，通过喷洒合成细胞分裂素6-BA，能够显著提高花器官的可育性和每穗的籽粒数量。此外，生长素信号通过如玉米BARREN STALK 1和其水稻同源基因LAX PANICLE 1等基因控制生殖分生组织的形成。在大麦中，生长素和细胞分裂素的浓度在顶端和基部小穗中呈现相反趋势，这表明生长素和细胞分裂素信号之间可能存在协调作用。赤霉素则通过与DELLA蛋白相互作用，促进细胞伸长和分化，并通过与SPL9相互作用激活APETALA1表达，从而增强花序小穗的可育性。

然而，尽管已有大量研究探讨了生长素、细胞分裂素和赤霉素在花序发育中的作用，茉莉酸（JA）在小麦花器官可育性调控中的具体机制仍不明确。茉莉酸在调控花器官发育和可育性方面的作用已在拟南芥、番茄、水稻、玉米和高粱中被广泛研究。例如，在高粱中，一个TCP转录因子通过茉莉酸信号调控穗的发育。茉莉酸信号通路涉及三个核心组分：茉莉酸受体CORONATINE-INSENSITIVE 1（COI1）、茉莉酸ZIM结构域（JAZ）抑制因子和MYC转录激活因子。当茉莉酸-异亮氨酸（JA-Ile）被检测到时，COI1会与JAZ抑制因子结合，通过泛素化介导的降解方式释放MYC转录因子，从而调控下游的茉莉酸响应基因。在拟南芥中，MYC2与ETHYLENE INSENSITIVE3（EIN3）的相互作用调控了茉莉酸与乙烯信号通路之间的拮抗关系。此外，多个MYC蛋白冗余地调控雄蕊发育和种子生产。在水稻中，EG1参与茉莉酸的生物合成，而EG2则通过抑制OsMYC2介导的OsMADS1激活，从而影响小穗发育。尽管茉莉酸信号通路在拟南芥和水稻中已被充分研究，但在小麦中，其调控花器官可育性的具体机制尚不清楚。

### TaSPL13-2B在茉莉酸信号调控中的作用

研究团队通过基因表达分析和反向遗传学方法，发现了TaSPL13-2B这一茉莉酸响应调控因子。TaSPL13-2B通过直接抑制TaJAZ1的表达，增强了茉莉酸信号模块（TaJAZ1–TaMYC2）的功能，从而促进花器官的可育性和增加每小穗的籽粒数量。此外，TaMYC2通过激活TaMADS1、TaOPR12和TaJAR1的表达，进一步提高茉莉酸生物合成水平，进而促进花器官的可育性。田间试验结果表明，TaSPL13-2B在提高单位面积产量方面具有潜力，其转基因表达可使每株小麦的产量增加11.7%。这一发现表明，TaSPL13-2B是调控小穗发育和花器官可育性的关键基因，同时证明了通过提高花器官可育性来增加小麦产量的可行性。

### 植物激素的时空交互作用

植物激素的调控不仅涉及其各自的功能，还与不同激素之间的时空协调密切相关。例如，在小麦花序发育过程中，茉莉酸、生长素和细胞分裂素的浓度呈现出特定的空间分布和时间变化模式。在绿色花药期（GrA）和开花期（AN）之间，茉莉酸和细胞分裂素的浓度在基部和中部小穗中显著高于顶部小穗，这表明这些激素在花序小穗发育过程中可能具有协调作用。此外，茉莉酸信号的调控可能受到其他植物激素的反馈影响，例如生长素和细胞分裂素可能在茉莉酸信号通路的上游发挥作用，调控这一潜在的正反馈机制。

研究还发现，不同植物激素的浓度在花序的不同部分呈现出显著差异。例如，在大麦中，生长素浓度在顶端较低而在基部较高，而细胞分裂素则呈现相反趋势，这表明生长素和细胞分裂素信号之间可能存在协调或交互作用。然而，在小麦中，生长素和细胞分裂素的浓度在每个小穗中均呈现显著增加的趋势。这种激素浓度的分布模式可能与小麦花序分生组织的不定型特性有关，而大麦的花序分生组织则表现出定型特性。这些差异可能影响植物激素在不同发育阶段的响应机制，从而对花序结构和产量产生不同影响。

此外，植物激素在调控花序发育中的作用可能受到多种因素的影响，包括植物的基因型、环境条件以及不同激素之间的相互作用。例如，在某些情况下，生长素和细胞分裂素的浓度变化可能影响茉莉酸信号的激活，进而影响花器官的可育性和小穗发育。因此，理解植物激素的时空交互作用对于揭示花序发育的调控机制至关重要。研究团队提出，结合空间转录组学技术，可以更精确地绘制植物激素响应的高分辨率图谱，从而深入解析花序发育的分子调控网络。

### 植物激素调控的负反馈机制

茉莉酸信号通路的持续激活可能对植物发育产生不利影响，因此需要负反馈机制来调节其活性。已有研究表明，JAZ蛋白的稳定性及抑制活性受到多种机制调控，包括可变剪接、翻译后修饰以及蛋白-蛋白相互作用。例如，在水稻中，蛋白精氨酸甲基转移酶OsPRMT6a通过精氨酸甲基化调控OsJAZ1与OsCOI1a/OsCOI1b的相互作用，从而促进OsJAZ1的降解并释放OsMYC2，调控茉莉酸信号通路的活性。在拟南芥中，JAZ10的可变剪接涉及保留一个保守的Jas基因内含子，从而生成一个缺乏Jas结构域的非典型JAZ10蛋白，影响其与COI1的结合能力，进而调控茉莉酸信号通路的活性。此外，MED25这一中介子亚基在茉莉酸信号通路中发挥重要作用，通过调控PRP39a和PRP40a的招募，确保Jas基因内含子的正常剪接，防止茉莉酸信号通路过度敏感或减弱。

### 转录因子与茉莉酸信号的相互作用

除了植物激素，转录因子在调控花序结构和发育中也起着重要作用。研究团队发现，TaSPL13-2B通过直接结合到TaJAZ1的启动子区域，抑制其表达，从而释放TaMYC2这一关键转录因子。TaMYC2进一步激活TaMADS1、TaOPR12和TaJAR1的表达，促进茉莉酸的生物合成，提高花器官的可育性。这种调控机制可能涉及一个复杂的信号网络，其中多个转录因子和植物激素相互作用，共同调控花序小穗的发育和产量。

此外，研究还发现，TaMADS1在调控花器官可育性方面具有重要作用。TaMADS1是E类MADS-box基因之一，属于经典的ABCDE模型的一部分。该基因在小穗发育的不同阶段被显著上调，且在花器官和小穗分生组织中表达。通过转基因实验，研究团队发现，TaMADS1的表达可显著提高每小穗的花器官数量和籽粒数量，进一步支持其在花器官可育性调控中的重要性。这一发现表明，TaSPL13-2B和TaMADS1可能共同作用于茉莉酸信号通路，调控花序小穗的发育和产量。

### 环境因素对茉莉酸信号调控的影响

研究还探讨了环境因素对TaSPL13-2B和茉莉酸信号通路调控的影响。例如，温度、光周期和养分供应可能影响花器官的可育性和小穗发育。在某些情况下，较高的温度可能降低花器官的可育性，而光周期不敏感基因Ppd-1a则通过减少花器官的存活率影响产量。此外，氮素供应可能通过调控花器官原基的死亡率，间接影响小穗的可育性。这些发现表明，环境因素可能通过调控TaSPL13-2B和茉莉酸信号通路的活性，对小麦产量产生重要影响。

研究团队指出，未来需要进一步探讨环境因素如何影响TaSPL13-2B的表达和茉莉酸信号通路的调控。例如，温度、光周期和养分供应可能通过不同的机制影响花器官的可育性和小穗发育。这不仅有助于理解茉莉酸信号通路的调控机制，还可能为不同环境条件下小麦产量的精准调控提供理论依据。通过深入研究这些因素之间的相互作用，可以更好地优化农业实践，提高小麦产量。

### 转录因子的多功能性与调控机制

在植物发育过程中，转录因子往往具有多种功能，调控不同的生理过程。例如，SPL家族的成员在小麦花序发育中起着重要作用，其中TaSPL13-2B在花序发育的多个阶段均表现出显著的表达增强。研究发现，TaSPL13-2B通过调控茉莉酸信号通路，影响花器官的可育性和产量。这种调控机制可能涉及多个步骤，包括抑制JAZ蛋白的表达、促进MYC转录因子的释放以及激活下游基因的表达。

此外，研究还发现，TaSPL13-2B可能通过调控其他转录因子，如TaMADS1，进一步影响花器官的可育性和产量。例如，TaMADS1的表达在转基因小麦中显著增加，这可能与其在花器官和小穗分生组织中的表达有关。TaMADS1的表达可能通过激活茉莉酸生物合成相关基因，提高茉莉酸水平，从而促进花器官的可育性和产量。

### 基因调控的潜力与应用前景

研究团队通过转基因实验和田间试验，验证了TaSPL13-2B在提高小麦产量方面的潜力。田间试验结果表明，TaSPL13-2B转基因小麦的产量比对照组提高了11.1%至12.2%，而千粒重仅略有下降。这一结果表明，通过调控花器官的可育性，可以显著提高小麦产量，而不会明显影响其他产量相关性状。这为小麦育种提供了新的思路，即通过基因改良提高花器官可育性，从而在不牺牲其他性状的情况下提高产量。

此外，研究还发现，TaSPL13-2B可能通过调控其他转录因子，如TaMYC2，进一步影响花序发育和产量。TaMYC2不仅调控茉莉酸生物合成相关基因的表达，还可能通过促进TaSPL13-2B的转录，增强茉莉酸信号通路的活性。这一发现表明，TaSPL13-2B和TaMYC2之间可能存在正反馈或负反馈机制，共同调控花序小穗的发育和产量。

### 研究方法与实验设计

为了验证TaSPL13-2B和茉莉酸信号通路的调控作用，研究团队采用了多种实验方法，包括基因表达分析、DNA亲和纯化测序（DAP-seq）、酵母单杂交（Y1H）、双荧光素酶报告基因实验、生物分子荧光互补（BiFC）以及共免疫沉淀（Co-IP）等。这些方法帮助研究团队确定了TaSPL13-2B与TaJAZ1、TaMYC2和TaMADS1之间的相互作用，以及这些基因在调控茉莉酸信号通路中的具体作用。

此外，研究还通过田间试验验证了TaSPL13-2B在提高产量方面的效果。在不同环境条件下，TaSPL13-2B转基因小麦的产量均显著高于对照组，而千粒重和有效分蘖数则没有明显变化。这表明，TaSPL13-2B的调控作用主要体现在提高花器官的可育性和每穗的籽粒数量，而非其他产量相关性状。这一发现为小麦育种提供了新的策略，即通过调控花器官的可育性来提高产量。

### 未来研究方向与应用价值

尽管研究已经揭示了TaSPL13-2B在调控茉莉酸信号通路和提高花器官可育性方面的关键作用，但仍有许多问题需要进一步探讨。例如，茉莉酸信号通路与不同植物激素之间的相互作用机制，以及环境因素如何影响这些调控过程。此外，研究团队还指出，未来需要更深入地探讨TaSPL13-2B与茉莉酸信号通路之间的负反馈机制，以确保其调控作用的稳定性和可持续性。

研究团队还提到，通过空间转录组学技术，可以更精确地绘制植物激素响应的图谱，从而深入解析花序发育的分子调控网络。此外，茉莉酸信号通路的调控可能受到多种因素的影响，包括基因表达模式、环境条件以及不同激素之间的交互作用。因此，未来的研究应重点关注这些因素，以进一步优化小麦育种策略。

总的来说，这项研究不仅揭示了茉莉酸信号通路在小麦花器官可育性调控中的重要作用，还提供了新的基因靶点，如TaSPL13-2B和TaMADS1，为提高小麦产量提供了理论依据和实践方向。这些基因可能通过调控茉莉酸信号通路，提高花器官的可育性，从而增加每穗的籽粒数量。未来的研究应进一步探讨这些基因在不同环境条件下的表达模式和调控机制，以实现小麦产量的精准调控。