大麦VRS5转录因子通过调控分蘖和花器官发育基因表达塑造株型与穗型的分子机制

本研究聚焦大麦关键驯化基因VRS5（VULGARE ROW-TYPE SIX 5），通过转录组测序和DNA亲和纯化测序（DAP-seq）技术，系统解析了该TCP家族转录因子通过结合GGGNCCCAC motif调控下游靶基因的分子网络。研究发现VRS5在营养生长期通过调控ABA和JA信号通路抑制分蘖发生，在生殖生长期则直接激活穗型决定基因VRS1并抑制MADS-box等花器官发育基因，揭示了大麦株型与穗型协同调控的进化保守性与物种特异性机制，为谷物作物株型改良提供了新靶点。

　　

在谷物作物驯化过程中，株型结构的优化是提高产量的关键。大麦作为重要禾本科作物，其分蘖能力和穗型（二棱或六棱）直接影响最终产量，但这些性状的分子调控网络仍存在诸多未知。TEOSINTE BRANCHED 1（TB1）及其同源基因在玉米等作物中已知调控分枝，但其在大麦中的同源基因VRS5（VULGARE ROW-TYPE SIX 5）如何协调分蘖与穗型发育仍不清楚。

瓦赫宁根大学与研究中心（Wageningen University and Research）的研究团队通过多组学方法揭示了VRS5的双重调控功能。研究发现VRS5缺失突变体表现出分蘖增多和六棱穗表型，表明该基因同时抑制分蘖和侧小穗发育。相关成果发表在《Plant Physiology》上，为理解谷物作物株型建成的分子基础提供了新见解。

研究采用四个发育阶段（营养顶端VA、过渡顶端TA、三突起TM和花器官原基LP/SP）的转录组比较分析，结合DAP-seq全基因组DNA结合位点图谱技术。通过电泳迁移率变动分析（EMSA）和双荧光素酶报告系统验证关键靶基因的调控关系，并利用CRISPR-Cas9技术构建vrs1突变体验证功能。

研究结果部分：

1. VRS5调控分蘖和穗型
   比较Bowman野生型和vrs5突变体发现，突变体早期分蘖数显著增加，后期发育出可育的侧小穗。转录组分析显示75%差异表达基因（DETs）在突变体中下调，表明VRS5主要作为转录激活因子发挥作用。

2. 转录谱分析揭示阶段特异性调控
   共表达聚类将2,872个DETs分为三类：第1类（营养期高表达）富集ABA和JA通路基因如JAZ11、NCED1；第2类（生殖期高表达）包含MADS-box基因如MADS4、AGL6；第3类则与发育防御相关。这些发现暗示VRS5具有发育阶段特异性调控功能。

3. VRS5全基因组结合位点鉴定
   DAP-seq鉴定出99,567个结合峰，72%含有GGGNCCCAC motif（典型II类TCP结合位点）。21%的峰位于基因上下游15kb区域，与表达基因的启动子/终止子区域重叠。675个基因同时具有DAP峰和差异表达，被确认为VRS5直接靶标。

4. VRS5调控花序发育基因
   生殖期靶标包括穗型基因VRS1（HD-ZIP蛋白）和花器官基因MADS4（PISTILLATA同源物）。EMSA和双荧光素酶实验证实VRS5通过上游7kb处的结合位点激活VRS1表达。有趣的是，虽然RNA-seq显示MADS4在突变体中上调，但报告系统显示VRS5可激活其表达，暗示体内调控可能受辅助因子影响。

5. 保守与特异的调控网络
   与玉米TB1相似，VRS5调控ABA/JA通路基因（如TASSELSEED1）抑制分蘖，体现功能保守性。但VRS5对VRS1和花器官基因的调控呈现大麦特异性，解释其独特穗型决定作用。HvCEN（开花抑制因子）也被鉴定为新靶标，暗示VRS5可能参与开花时间调控。

这项研究系统描绘了VRS5调控网络的双重功能：在营养期通过保守的激素通路抑制分蘖，在生殖期通过物种特异性靶标（VRS1-MADS模块）控制穗型。发现的直接靶基因为谷物作物株型改良提供了分子标记，而阶段特异性调控机制为理解TCP转录因子的功能进化提供了新视角。特别值得注意的是，VRS5对VRS1的正向调控与两者在六棱大麦中的共选择现象，揭示了穗型驯化的复杂调控层次。这些发现不仅促进了对禾本科作物发育调控的认识，也为精准分子设计育种提供了理论依据。