光周期调控的阳离子氨基酸转运蛋白CAT1在小麦生殖发育与氮素转运中的关键作用及其分子机制研究

本研究针对小麦生殖发育过程中光周期如何调控氮素转运机制这一关键科学问题，系统解析了光周期响应基因Photoperiod-1 (Ppd-1)通过调控阳离子氨基酸转运蛋白CATION AMINO ACID TRANSPORTER1 (CAT1)的表达，影响精氨酸转运、穗部发育和根系生长的分子机制。研究人员通过转录组分析、异源表达功能验证和突变体表型鉴定，发现CAT1是受日长诱导的Ppd-1依赖性精氨酸转运蛋白，其功能缺失导致氨基酸代谢紊乱、穗粒数减少和根系发育受阻。该研究首次揭示了光周期信号与氮素转运的直接联系，为小麦产量性状的遗传改良提供了新靶点。

　　

小麦作为全球最重要的粮食作物之一，其产量形成受到开花时间和穗部发育的精密调控。光周期是影响小麦从营养生长向生殖生长转换的关键环境因子，而光周期敏感性基因Photoperiod-1 (Ppd-1) 是调控这一过程的核心因子。以往研究已知Ppd-1通过调控FLOWERING LOCUS T1 (FT1) 等开花整合子基因的表达来影响开花时间，但关于其是否参与营养物质转运过程的调控仍属未知。特别是在小麦穗部发育过程中，氮素等营养物质的源库分配对穗粒数和最终产量具有决定性影响，然而光周期信号如何与氮素转运机制相偶联，一直是领域内亟待解决的重要科学问题。

为深入解析这一问题，由Marianna Pasquariello和Yue Qu作为共同第一作者、Scott A. Boden教授领导的研究团队，在《Annals of Botany》上发表了最新研究成果。该研究通过系统的实验证明，Ppd-1基因能够直接调控阳离子氨基酸转运蛋白CAT1 (CATION AMINO ACID TRANSPORTER1) 的表达，从而影响精氨酸等氨基酸的转运效率，最终调节小麦的穗部发育和根系生长。

在研究过程中，作者运用了多种关键技术方法：利用近等基因系材料（Near-isogenic lines, NILs）进行转录组比较分析；通过定量PCR（qRT-PCR）验证基因表达模式；采用AlphaFold2蛋白质结构预测和异源表达系统（Xenopus oocytes）进行转运功能验证；结合化学突变体（TILLING群体）进行表型分析和氨基酸含量测定（核磁共振光谱法）；此外还进行了光周期处理实验和根系生长表型鉴定。

研究结果主要包括以下几个方面：

CAT基因在发育穗中的表达分析

通过转录组分析发现，CAT1、CAT2、CAT5、CAT6、CAT8和CAT11等基因在小麦早期穗部发育阶段（营养期、双棱期、颖片原基期和顶端小穗期）均有表达，其中CAT1仅D亚基因组同源基因（CAT-D1）表达，而A亚基因组缺失该基因，B亚基因组同源基因（CAT-B1）在某些品种中不表达。

CAT1表达受Ppd-1调控且具有光周期响应性

在Ppd-1功能缺失突变体（ppd-1）中，CAT-D1的表达完全被抑制，而在携带光周期不敏感等位基因Ppd-D1a的材料中表达正常。进一步分析表明，CAT-D1的表达严格依赖长日照条件，在短日照（8-10小时）下几乎不表达，随着日长延长（11-13小时）表达量显著上升。该调控过程不依赖于开花关键基因FT1。

CAT1的功能分析

通过AlphaFold2预测的CAT-D1蛋白结构与已知的阳离子氨基酸转运蛋白GkApcT高度相似（RMSD=1.03 ?），且关键氨基酸结合位点保守。非洲爪蟾卵母细胞异源表达实验证明，CAT-D1能够特异性转运精氨酸（L-arginine），且在酸性条件下（pH5.5）转运活性随底物浓度增加而增强，但对亮氨酸（L-leucine）无转运能力。

CAT1突变体的遗传分析

利用TILLING群体获得的cat-D1和cat1双突变体（cat1_m1）在长日照条件下叶片中精氨酸含量显著升高，其他多种氨基酸也有积累。短期光周期转换实验证明，短日照条件下叶片氨基酸（包括精氨酸）含量显著高于长日照条件，与突变体表型一致。

cat1突变体的表型分析

cat1_m1双突变体开花时间延迟，穗粒数显著减少。此外，该突变体根系生长受到明显抑制，外源添加精氨酸会进一步抑制野生型和突变体的根长，表明CAT1通过调节精氨酸稳态影响根系发育。

研究结论与讨论部分强调，该研究首次揭示了光周期核心调控因子Ppd-1与氨基酸转运之间的直接联系，拓展了Ppd-1基因的功能谱。CAT1作为受光周期诱导的精氨酸转运蛋白，不仅参与氮素资源的源库分配，还直接影响穗部建成和根系发育这两个关键农艺性状。该发现为理解小麦产量形成的生理和分子基础提供了新视角，也为通过调控氨基酸转运效率来改善作物氮素利用效率和产量潜力提供了潜在靶点。此外，研究中所建立的光周期?Ppd-1?CAT1?氨基酸转运?形态建成的调控框架，可能也适用于其他禾谷类作物，具有重要的理论价值和应用前景。