甘蔗ScHB56基因的全基因组鉴定及其通过IAA信号通路调控分蘖和叶片发育的分子机制

甘蔗作为全球重要经济作物，其分蘖能力直接影响产量。研究人员通过全基因组关联分析(GWAS)鉴定出66个ScHB基因，发现ScHB56与分蘖显著相关。该研究揭示ScHB56通过调控IAA信号通路(如上调GH3、下调ARF/IAA19/SAUR27)促进分蘖，并与ScZRP4(甲基转移酶)、ScRUG1(RING-H2指蛋白)互作，为甘蔗分子育种提供新靶点。

　　

甘蔗是全球最重要的糖料和生物能源作物之一，其产量直接关系到全球80%的蔗糖和40%的生物乙醇供应。然而，甘蔗复杂的多倍体基因组特性使得其重要农艺性状的遗传解析极具挑战性。分蘖作为决定甘蔗有效茎数的关键性状，其分子调控机制尚不明确。植物Homeobox(HB)基因家族在器官形态建成和激素信号转导中发挥核心作用，但在甘蔗中的系统研究仍属空白。

针对这一科学问题，Dehong Chen、Bowen Kuang等研究人员在《Industrial Crops and Products》发表了创新性研究。该工作首先对甘蔗栽培种R570进行全基因组HB基因鉴定，结合194个甘蔗品种的GWAS分析，锁定关键基因ScHB56；通过亚细胞定位、激素处理表达谱分析明确其生物学特性；利用拟南芥过表达系统解析表型效应；采用Y2H筛选互作蛋白并通过BiFC、LCI验证；最后通过转录组测序揭示下游调控网络。

研究首先鉴定出66个ScHB基因，系统发育分析将其分为4个亚家族。染色体定位显示ScHB基因分布不均，存在大量同源基因对，暗示基因复制事件在家族扩张中的作用。GWAS分析发现ScHB56与分蘖数显著相关，该基因定位在细胞核，在成熟茎中高表达，且受IAA和6-BA诱导。

拟南芥过表达ScHB56产生三大表型变化：分枝数显著增加、叶片边缘不规则卷曲、叶面积异常。其中高表达株系叶片卷曲更明显，而所有转基因株系均表现分枝增多，表明ScHB56具有剂量依赖性的叶片形态调控作用和稳定的促分枝功能。

Y2H筛选发现ScHB56与7类蛋白存在互作，重点验证了与O-甲基转移酶ScZRP4和RING-H2指蛋白ScRUG1的相互作用。BiFC和LCI实验证实这些互作发生在体内，暗示ScHB56可能通过调控次生代谢和蛋白泛素化参与发育调控。

RNA-seq分析揭示ScHB56通过IAA信号通路调控植物形态。过表达植株中GH3显著上调，而ARF、IAA19和SAUR27明显下调。已知GH3通过IAA氨基酸缀合降低活性IAA水平，而IAA19/SAUR27下调与叶片锯齿表型相关，这解释了转基因植株的分枝增多和叶片畸形表型。此外，MAPK信号通路基因上调提示ScHB56可能参与应激响应。

该研究首次在栽培甘蔗中完成HB基因家族的系统鉴定，发现ScHB56通过"上调GH3→抑制ARF→降低IAA"的级联反应促进分枝，同时通过干扰IAA19/SAUR27表达影响叶片发育。其与ScZRP4和ScRUG1的互作揭示了代谢调控与发育信号交叉对话的新机制。这些发现不仅填补了甘蔗HB基因功能研究的空白，更为分子设计育种提供了关键靶点——通过精准调控ScHB56表达或修饰其互作网络，可协同优化分蘖数、叶型架构和抗逆性，对实现甘蔗高产稳产具有重要意义。

研究也存在一定局限，如在模式植物而非甘蔗本体中进行功能验证。未来需建立甘蔗遗传转化体系，在原生背景下解析ScHB56调控网络，并探索其在不同生态型中的等位变异，为品种改良提供更精准的遗传资源。该工作为复杂多倍体作物的性状解析提供了GWAS-基因功能-互作网络-分子机制的全链条研究范式。