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为解决小麦穗发芽（PHS）问题，研究人员开展 TaNAC018-7D 基因调控种子休眠和萌发的研究。结果发现该基因负调控种子休眠、正调控萌发，通过 GA 途径发挥作用。这为提高小麦 PHS 抗性提供新靶点，有助于理解其调控网络。
在广袤的农田里，小麦作为全球重要的粮食作物，默默地为人类提供着能量。然而，一个令人头疼的问题却时常困扰着麦农们，那就是小麦穗发芽（Pre-harvest sprouting，PHS）。当收获季节遇上潮湿天气，小麦穗就像被施了魔法一样，在田间迫不及待地萌发出新芽。可别小看这小小的发芽现象，它带来的危害可不小。穗发芽会让小麦的产量降低，品质也大打折扣，全球许多小麦产区都深受其害。据了解，在我国以及美国、加拿大等小麦生产大国，穗发芽导致小麦产量减少 6%-10%，价值更是降低 20%-50% 。
为什么会出现这样的情况呢？原来，种子休眠和萌发与穗发芽抗性密切相关。一般来说，种子休眠程度高的小麦品种，对穗发芽的抵抗力更强。尽管科研人员已经发现了一些与种子休眠和穗发芽抗性相关的基因，比如 TaVp-1、TaDOG1L1 等，但这些基因背后复杂的调控机制却如同隐藏在迷雾之中，让人们难以看清。这也使得提高小麦穗发芽抗性的工作遇到了瓶颈。
为了拨开这层迷雾，探索小麦种子休眠和萌发的奥秘，安徽农业大学的研究人员勇挑重担，开展了一项意义重大的研究。他们将目光聚焦在一个名为 TaNAC018-7D 的基因上，深入探究它在小麦种子休眠和萌发过程中的作用。经过一系列严谨的实验和分析，研究人员终于有了重大发现：TaNAC018-7D 基因就像一个神奇的 “开关”，负调控种子休眠，正调控种子萌发。而且，他们还找到了这个 “开关” 发挥作用的 “通道”——GA 生物合成途径。这一发现意义非凡，它为提高小麦穗发芽抗性提供了全新的潜在靶点，让我们对小麦穗发芽抗性的复杂调控网络有了更深入的理解，仿佛为小麦育种家们点亮了一盏明灯，指引他们培育出更抗穗发芽的小麦品种。这项研究成果发表在《Environmental and Experimental Botany》上。
在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。首先是转基因技术，他们将 TaNAC018-7D 基因转入拟南芥和水稻中，观察其对种子休眠和萌发的影响；其次是突变体分析，利用小麦 EMS 突变体 tanac018-7d，研究基因功能的变化；此外，还运用了双荧光素酶报告基因检测、酵母单杂交、电泳迁移率变动分析等技术，来验证基因之间的相互作用和调控关系。
下面让我们详细看看研究的具体结果：
- TaNAC018-7D 基因的表达与序列分析：研究人员对比了弱休眠小麦品种京 411（J411）和强休眠小麦品种红芒春 21（HMC21）在种子萌发过程中 TaNAC018-7D 基因的表达情况。随着种子吸胀时间延长，J411 种子中该基因表达显著上升，而 HMC21 种子中变化不明显。在种子发育不同阶段，随着休眠的建立，两个品种种子中该基因表达均下降，但 J411 种子中的表达水平相对更高。这表明 TaNAC018-7D 基因的表达与种子休眠和萌发表型密切相关。同时，基因克隆和测序显示，该基因含有三个外显子和两个内含子，编码的蛋白质含有高度保守的 NAM 结构域，属于 NAC 家族。通过生物信息学分析还发现，其启动子区域含有多种激素响应顺式作用元件。此外，系统发育分析表明，TaNAC018-7D 在小麦进化过程中高度保守，与其他物种的同源基因存在一定的进化关系。
- TaNAC018-7D 在转基因拟南芥和水稻中的功能验证：研究人员将 TaNAC018-7D 基因转入拟南芥 Col-0 和水稻品种 ZH11 中。在拟南芥中，过表达该基因的植株种子萌发时间比野生型更早，48 小时和 72 小时后的发芽率显著高于野生型；在水稻中，转基因植株种子和穗的萌发也比野生型更早，96 小时、120 小时和 144 小时后的发芽率明显更高。这充分证明，TaNAC018-7D 在异源表达时能够抑制种子休眠，促进种子萌发。
- TaNAC018-7D 基因突变对小麦种子萌发的影响：研究人员对小麦 EMS 突变体 tanac018-7d 进行研究，该突变体在 TaNAC018-7D 基因的 NAM 结构域发生了氨基酸替换。与 J411 相比，tanac018-7d 突变体的种子和穗萌发延迟，发芽率在 86 小时后才接近 100%，这说明 TaNAC018-7D 基因突变会导致种子萌发延迟，增强种子休眠。同时，突变体的株高、粒长和粒宽也显著降低。
- TaNAC018-7D 的亚细胞定位和转录活性分析：通过将含有 TaNAC018-7D 基因的重组载体与核定位信号质粒共转化小麦原生质体，研究人员发现 TaNAC018-7D 主要在细胞核中积累，同时在细胞质中也有少量分布。在烟草叶片中进行的双荧光素酶报告基因检测显示，TaNAC018-7D 可能作为转录抑制因子发挥作用。
- TaNAC018-7D 对 GA 途径的影响：研究人员测定了 tanac018-7d 和 J411 种子在不同吸胀时间的 GA 和 ABA 含量以及 α- 淀粉酶活性。结果发现，tanac018-7d 种子中的 GA 含量和 α- 淀粉酶活性显著低于 J411 种子，而 ABA 含量无明显差异，GA/ABA 比值下降。进一步检测 GA 和 ABA 生物合成、分解代谢及信号通路相关基因的表达，发现 tanac018-7d 种子中 GA 生物合成和信号通路相关基因表达下调，而 GA 分解代谢和 ABA 信号通路相关基因表达上调。此外，用外源 GA3处理 tanac018-7d 种子后，其发芽率显著提高，发芽表型恢复到与 J411 种子相似的水平。这些结果表明，TaNAC018-7D 可能通过影响 GA 生物合成途径来缩短种子休眠，促进种子萌发。
- TaNAC018-7D 与 TaGA7ox-A1 基因的相互作用：研究人员发现 GA 生物合成基因 TaGA7ox-A1 的启动子含有 NAC 转录因子的潜在结合位点。通过双荧光素酶报告基因检测、酵母单杂交和电泳迁移率变动分析等实验，证实了 TaNAC018-7D 能够与 TaGA7ox-A1 的启动子结合，并激活其表达。这表明 TaGA7ox-A1 是 TaNAC018-7D 的靶基因之一，TaNAC018-7D 可能通过调控 TaGA7ox-A1 的表达来影响种子休眠和萌发。
综合研究结果和讨论部分的内容，TaNAC018-7D 基因在小麦种子休眠和萌发过程中扮演着至关重要的角色。它不仅为提高小麦穗发芽抗性提供了新的基因靶点，让育种家们有了新的方向，而且加深了我们对小麦种子休眠和萌发复杂调控网络的认识。未来，科研人员可以进一步研究 TaNAC018-7D 基因与其他基因之间的相互作用，探索其在调控小麦其他农艺性状方面的潜在功能，为培育更优质、高产、抗逆的小麦品种奠定坚实的基础，让小麦在面对复杂多变的环境时，能够更好地保障全球粮食安全。
