《Plant Stress》：Supplemental red-light improves consistency of solid stem phenotype in solid stem wheat varieties
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小麦茎蜂（Wheat stem sawfly, WSS）是小麦的主要害虫，防治手段有限，导致严重的籽粒产量损失与品质下降。由于缺乏有效的化学或生物防治方案，实心茎（Solid-stem, SS）遗传抗性一直是主要的防控策略。然而，现有实心茎品种在不同环境下的茎
小麦茎蜂（Wheat stem sawfly, WSS）是小麦的主要害虫，防治手段有限，导致严重的籽粒产量损失与品质下降。由于缺乏有效的化学或生物防治方案，实心茎（Solid-stem, SS）遗传抗性一直是主要的防控策略。然而，现有实心茎品种在不同环境下的茎髓充实度（Stem solidness）常表现不一致。鉴于光照强度增加与日照时长延长与更强的实心茎表达相关，研究人员在温室中研究了补充红光（Supplemental red light, SL）处理对比标准温室光照（Greenhouse light, GL）对七个春小麦品种（Choteau, Conan, Dagmar, Duclair, Fortuna, Vida及空心茎品种Reeder）的影响。SL处理增强了实心茎品种的实心茎表型，其中Duclair、Dagmar和Choteau在主茎和分蘖中均表现出一致的髓部（Pith）表达，实现了更均匀的髓发育。研究人员对SL和GL条件下Reeder和Duclair第一居间组织进行的转录组分析鉴定出55,997个差异表达基因（Differentially expressed genes, DEGs），SL上调了细胞分裂、光敏色素信号转导（Phytochrome signaling）和光合作用相关通路。基因本体（Gene Ontology, GO）和京都基因与基因组百科全书（Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes, KEGG）富集分析表明，SL抑制程序性细胞死亡（Programmed Cell Death, PCD）并促进细胞骨架重塑及能量重新分配，暗示其激活了支持髓增殖的信号网络。这些发现表明，补充红光可通过光介导的基因调控稳定实心茎表型，并为培育改良WSS抗性及降低倒伏的育种工作提供生理与分子层面的见解。
该研究针对小麦茎蜂危害严重且现有实心茎小麦品种茎髓充实度受环境影响不稳定这一问题展开。小麦茎蜂幼虫在茎内取食并在成熟期切断茎秆导致倒伏，化学与生物防治效果不佳，实心茎性状因物理阻隔作用成为主要管理策略，但该性状受光照等非遗传因素影响较大导致表型不一致，研究人员旨在探究补充红光对稳定实心茎表型的作用及其分子机制，相关成果发表于《Plant Stress》。
研究人员选用来自蒙大拿州立大学的七个春小麦品种包括Reeder、Duclair、Dagmar、Choteau、Conan、Fortuna和Vida，设置温室光照与补充红光两种长日照处理进行栽培观察，在Zadoks 49期进行茎秆横切评分，选取表型响应显著的Duclair与空心对照Reeder在第一居间组织取样进行高通量RNA测序，利用STAR比对与DESeq2进行差异表达基因分析，并开展GO与KEGG功能富集分析。
Light Treatments and Solid Stem Phenotype Expression
研究人员通过显微镜观察七个品种在主茎与分蘖居间的横切面发现，Reeder在两种光条件下均完全空心，而实心茎品种在补充红光下髓填充增强，其中Choteau、Duclair和Dagmar在补充红光下表现出明确且均匀的髓填充，Vida、Fortuna和Conan在两种光处理间差异不显著。
Scoring Solid Stem Phenotypes
研究人员采用DePauw和Reed评分法对主茎与分蘖居间进行1至5分量化评分，结果显示在温室光照下主茎平均分范围为7.0至17.0，补充红光下所有实心茎品种主茎评分提高且标准误降低表明表型一致性增强，分蘖评分在补充红光下同样显著提升，配对t检验显示差异具有统计显著性，Choteau、Dagmar和Duclair在补充红光下主茎与分蘖评分最高。
RNA-sequencing
研究人员对Reeder和Duclair在两种光条件下的第一居间组织进行RNA测序，经质控过滤后每个样本获得约80至102亿条reads，比对到小麦参考基因组IWGSC CS RefSeq v2.1的独特比对率为86%至89.5%，获得高质量数据集用于后续分析。
Transcriptomic Analysis of Light-Induced Enhanced Stem Solidness
差异表达分析在四个两两比较中总共鉴定出55,997个显著DEGs，反映光处理和基因型引起的广泛转录可塑性。
Within variety comparisons
Reeder在补充红光对比温室光照中鉴定出6,265个DEGs，其中上调2,146个下调4,119个，转录变化较小与其空心表型一致。Duclair在该比较中鉴定出12,576个DEGs，上调7,852个下调4,724个，表现出强烈的转录响应，补充红光下Duclair主茎均值约4.5分分蘖约4.0分高于温室光照的约3.5和2.5分，上调基因包括细胞分裂相关基因、光敏色素信号及光合作用基因，表明补充红光通过增加分生组织活性和抑制PCD促进髓形成。
Between-variety comparisons
温室光照下Duclair与Reeder比较鉴定出22,932个DEGs，补充红光下鉴定出14,224个DEGs，补充红光下DEGs数量减少反映基因表达模式趋于收敛与增强的实心茎性状一致，Duclair等品种在补充红光下接近最大髓填充而Reeder保持空心。
Venn Diagram Analysis of DEG Overlaps Across Comparisons
韦恩图分析显示四个比较共有168个共同DEGs代表核心光与基因型响应基因，各比较特有DEGs数量分别为Duclair SL vs GL 4,563个、Reeder SL vs GL 2,207个、Duclair vs Reeder GL 10,710个、Duclair vs Reeder SL 4,298个，共享DEGs涉及光敏色素信号、光敏色素互作因子调控及细胞壁修饰如木葡聚糖内转葡萄糖苷酶家族。
Gene Ontology (GO) Analysis of Differentially Expressed Genes (DEGs)
GO富集分析显示生物过程显著富集多糖生物合成、刺激响应调控、细胞壁代谢、细胞周期转换及细胞分裂等，表明实心茎品种中细胞周期与细胞壁相关基因激活增加细胞增殖并减少髓薄壁组织PCD。细胞组分富集高尔基体、类囊体膜及光合系统I和II，表明补充红光增强与光能捕获和代谢相关的细胞结构。分子功能富集ABC型转运蛋白活性、微管结合、纤维素合酶活动等，支持溶质运输、细胞骨架重塑和细胞壁生物合成以促进薄壁组织形成。
Metabolic Pathways Uncovered by KEGG Analysis
KEGG分析显示Reeder在补充红光下能量代谢如光合作用下调，与其PCD导致的空心倾向一致。Duclair在补充红光下强烈上调能量相关与生物合成通路包括叶酸生物合成和碳水化合物代谢，信号转导与膜运输基因上调暗示光敏色素B介导的红光信号增强以抑制PCD并促进细胞分裂，碳水化合物与聚糖生物合成富集表明细胞壁重塑活跃涉及XTHs等酶类加强机械抗性，氨基酸代谢与复制修复通路支持快速细胞增殖所需的底物供应。
讨论部分指出小麦茎蜂是毁灭性害虫，实心茎是主要策略但因环境导致髓发育不一致削弱抗性，光是影响髓形成的关键环境因素，既往研究表明高强度光与夏季条件促进实心茎表达。本研究证实补充红光特别是高红远红比增强Choteau、Dagmar和Duclair的髓填充一致性，其机制与光受体特别是光敏色素B保持活性Pfr形式激活下游级联反应有关，补充红光下Duclair上调细胞周期、光合作用基因并下调PCD相关NAC转录因子，GO与KEGG揭示细胞分裂、类囊体组织、膜运输与能量代谢增强。研究显示光受体信号可能与TdDof拷贝数变异通路汇聚调控髓持久性，未来可靶向光受体及下游与TdDof互作组分以培育环境稳定型实心茎品种。
研究结论为补充红光通过激活促进细胞分裂、抑制程序性细胞死亡及增加髓形成结构发育代谢资源分配的光敏色素信号网络来增强髓形成，品种间差异凸显可利用于育种的基因型特异性调控机制，未来应聚焦鉴定与操纵光受体组分及与TdDof互作的下游调控因子以培育跨环境稳定均匀实心茎小麦，从而在不妥协农艺性状下增强小麦茎蜂抗性并降低倒伏。
