生物钟调控网络与ELF3-D1协同控制面包小麦叶片衰老时序及籽粒营养品质的机制研究

本综述系统阐述了生物钟（昼夜节律）调控网络（circadian clock）与EARLY FLOWERING 3（ELF3）基因在调控面包小麦（Triticum aestivum）叶片衰老时序与籽粒营养品质中的核心作用。研究通过多环境表型分析、转录组测序（RNA sequencing）和近等基因系（NILs）验证，揭示生物钟基因变异通过影响衰老相关转录亚网络（如PRRs、LUX等）及营养元素再动员效率（GPC, grain protein content），进而调控小麦农艺性状的分子机制，为作物抗逆育种和品质改良提供了重要理论依据。

　　

生物钟节律与小麦衰老时序的关联性分析

研究通过延迟荧光成像技术（delayed fluorescence, DF）监测15个澳洲优质小麦品种的 circadian 节律，发现三叶期至分蘖末期叶片 circadian 周期随植株老化显著缩短（图1c）。多环境表型数据显示，品种间 circadian 周期存在显著差异（图1d-f），且与抽穗后旗叶衰老时序（SPAD测定）呈正相关（图1i）：周期较短品种（如Cobra）更早进入衰老，而周期较长品种（如Calingiri）衰老延迟。此外，营养元素分析表明早衰品种具有更高的元素再动员效率，但籽粒千粒重（TGW）普遍较低，印证了衰老时序与产量-品质权衡的经典理论。

衰老过程中 circadian 转录组的重构特征

通过对比灌浆期（成熟）与衰老期旗叶的48小时连续光照转录组数据，研究发现衰老叶片中节律性表达基因数量显著增加（22.8% vs 15.7%），且独有节律基因富集于"氮化合物转运"、"肽代谢"等通路（图2c）。转录因子（TF）家族分析显示，WRKY和CCAAT-HAP2家族在衰老期节律性显著增强（图2d-e），暗示其受生物钟调控并参与衰老进程。全局分析发现衰老叶片转录组平均 circadian 周期缩短0.5小时、相位前移0.5小时（图3a），而差异节律基因（DR genes）主要表现为相位前移而非周期变化（图3e）。

衰老相关的 circadian 转录亚网络鉴定

从1743个DR基因中筛选出106个节律性转录因子，包括PRRs、LUX、LHY等核心生物钟组件（图3f）。启动子顺式元件分析显示这些基因显著富集 evening element（EE） motifs。蛋白互作网络（STRING）与调控网络分析（GENIE3）表明，这些TF通过调控激素信号（如细胞分裂素）、光合作用及代谢通路基因，形成驱动衰老相关转录重编程的亚网络。特别值得注意的是，PRR家族基因（如Ppd-B1/Ppd-D1）和EC组分（ELF3/LUX）在该网络中处于枢纽地位。

生物钟振荡器基因的衰老响应模式

对59个小麦 circadian 振荡器基因的聚类分析揭示其响应衰老的异质性（图4a）。晨光 phased 基因（如LHY、RVE）多表现为周期缩短（Cluster 5-6），而午后/傍晚 phased 基因（如PRRs、LUX）则以相位前移为主（Cluster 2-4）。其中Cluster 2基因（含GI、PRR73等）振幅增强且与细胞分裂素响应通路密切关联，提示不同振荡器模块通过差异化调控下游网络协调衰老进程。

生物钟多基因型（MLG）与农艺性状的关联

基于7个生物钟基因位点（含Ppd-B1/Ppd-D1光周期基因、ELF3-D1缺失型及PRR59-B1等新型SNP）的k-modes聚类，将品种划分为6种 circadian MLG（图5a-b）。表型分析显示MLG5（ELF3-D1缺失型+短周期等位基因）表现早衰与低千粒重，而MLG6（长周期基因型）则衰老延迟（图5c-f），但籽粒蛋白含量（GPC）在MLG间无显著差异，提示生物钟基因效应受遗传背景与环境互作影响。

ELF3-D1缺失对衰老和品质的功能验证

利用4对近等基因系（NILs）对比ELF3-D1野生型与缺失型（del）的效应。尽管 circadian 周期无显著变化（图6a-b），但缺失型在3对NIL中均表现早衰（图6e-f）和籽粒蛋白含量（GPC）降低（图6g-h）。唯一例外为携带Ppd-D1光周期不敏感等位基因的NIL pair c，表明ELF3-D1效应可能受Ppd-1基因型上位性调控。该结果证实了生物钟基因在调控小麦衰老时序与品质中的直接作用，并为育种中基因型组合优化提供依据。

讨论与展望

研究系统揭示了生物钟网络通过调控衰老相关转录亚网络（尤其以ELF3/LUX为核心的EC模块及PRRs）影响小麦营养再动员与籽粒品质的机制。ELF3-D1缺失虽未直接改变全局 circadian 周期，但可能通过相位调整或与Ppd-1互作影响下游衰老通路。提出的 circadian MLG模型为多基因背景下预测农艺性状提供了新思路，而鉴定的WRKY等节律性TF可作为精细调控衰老而不影响核心钟功能的靶点。未来需通过多环境田间试验验证这些基因型与性状的稳健性，并探索生物钟调控衰老的代谢与激素信号交叉网络。