黍稷矮化突变体778的表型-细胞-生理-转录组多维度解析及TD1基因功能验证

本研究针对黍稷抗倒伏与产量关键性状——株高的调控机制空白，通过EMS诱变获得稳定矮化突变体778，整合表型观测、细胞学分析、GA3 敏感性测试及转录组测序，发现其矮化与茎秆纵向细胞缩短、GA3 敏感型表型相关，克隆获得关键基因TD1（缺失58个碱基），并通过拟南芥CLV1反义过表达验证其功能，为作物矮化育种提供新靶点。

　　

在全球气候变化加剧的背景下，作物倒伏已成为威胁粮食安全的重要问题。黍稷（Panicum miliaceum L.）作为抗旱耐瘠薄的先锋作物，却因普遍缺乏抗倒伏性导致产量损失。株高作为影响倒伏的关键农艺性状，其调控机制在黍稷中仍属空白。历史上小麦、水稻的"绿色革命"已证明矮化育种的价值，但黍稷矮化资源匮乏且相关基因研究滞后。河北张家口市农业科学院的研究团队通过EMS化学诱变，从野生型"石湖千斤黍"中筛选出稳定遗传的矮化突变体778，结合多组学手段揭示其矮化机制，相关成果发表于《Plant Physiology and Biochemistry》。

研究采用表型追踪、石蜡切片、外源GA₃
处理及RNA-seq技术，发现778突变体全生育期矮化伴随分蘖数增加、穗部性状退化，茎秆纵向细胞长度显著缩短，且对GA₃
响应敏感。转录组分析鉴定出337个差异基因，富集于植物激素信号等通路。关键发现是玉米TD1基因同源序列在778中发生58碱基缺失，通过构建其拟南芥同源基因CLV1的反义过表达载体，证实抑制该基因表达可导致植株矮化。

【主要农艺性状分析】
778成熟期株高仅50.8 cm，较野生型降低56%，分蘖数增加140%，穗长、千粒重等产量性状显著下降，呈现典型的"矮秆多蘖"特征。

【细胞学机制】
茎秆纵切显示778节间细胞长度缩减，而细胞数目不变，符合Takeda分类中的dn型（节间缩短型）矮化特征。

【GA₃
敏感性】
外源喷施GA₃
后778株高恢复率达野生型82%，证实其为GA敏感型矮化，暗示赤霉素信号通路异常。

【转录组与基因功能】
KEGG分析显示DEGs显著富集于植物激素信号转导途径。克隆的TD1基因编码富含亮氨酸重复序列受体激酶（LRR-RLK），与拟南芥CLV1同源，其突变可能导致分生组织发育异常。拟南芥转化实验显示CLV1表达抑制引发矮化表型，为TD1功能提供直接证据。

结论指出TD1基因突变可能是778矮化的主效因素，其通过影响细胞伸长与分裂调控株高。该研究首次建立黍稷矮化研究的整合分析框架，鉴定的TD1基因为分子标记辅助育种提供新靶点。讨论部分强调，相比已报道的GA合成基因（如GA20ox-2）或DELLA蛋白（如RHT1），TD1介导的CLAVATA信号通路为矮化机制研究开辟了新视角，未来可通过基因编辑技术创制抗倒伏新品种。研究得到河北省科技计划等项目支持，为应对极端气候下的黍稷稳产提供理论支撑。