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中国科学院/西北农林等团队合作解析小麦耐盐新基因

  • 转自： 植物科学最前沿学术报告版公众号
  • 日期：2024-05-28
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盐碱地是我国重要的后备耕地资源；同时，根据第三次全国土壤普查，我国重点区域14个省份198个县盐碱耕地约1亿亩，亟待提升产能。因此，鉴定植物耐盐碱基因，尤其是挖掘作物中耐盐碱优异基因单倍型，继而利用现代分子育种手段精准、快速、高效地改良作物耐盐性，对于保障国家的粮食安全和通过“以种适地”策略充分开发利用盐碱地资源，具有切实意义。
作为我国主粮作物之一的小麦，其主产区恰好也是土壤盐渍化高频发生的区域；同时，作为唯一的越冬主粮作物，春季是其拔节生长、籽粒灌浆的关键时期，却也是土壤返盐的高峰期。因此，土壤盐渍化对小麦生产安全的威胁尤其需要重点关注。然而，由于普通小麦基因组过于庞大（是人类基因组的5.5倍）与复杂（异源六倍体、重复序列比例高），在基因组公布之前很长一段时间里，小麦的耐盐基因挖掘和机制解析工作一直相对滞后。
近年来小麦参考基因组、泛基因组等多组学大数据的公布，为破解上述困境提供了一个契机，也引发了关于小麦复杂的基因组与其广泛的适应性之间关系的新思考。中国科学院南京土壤研究所王萌博士与西北农林科技大学吴建辉博士等合作，基于六倍体小麦A、B、D亚基因组中部分同源基因之间存在功能冗余和分化的特性，借助群体遗传学挖掘到可显著提高耐盐性但不影响发育的小麦特色等位基因TaSPL6-DIn，相关成果以Variation in TaSPL6-D confers salinity tolerance in bread wheat by activating TaHKT1;5-D while preserving yield-related traits为题于5月27日发表在Nature Genetics上。
基于合作团队创建的小麦多组学大数据平台WheatOmics（Ma S et al., Mol Plant 2021）收集整理的近2,000份小麦种质基因型信息，筛选了其中代表丰富遗传多样性的约350份小麦自然群体材料；以小麦、水稻、玉米等作物保守的耐盐主效基因HKT1;5的表达量为表型，借助eGWAS挖掘到一个与TaHKT1;5-D表达量、地上部钠离子含量和苗期耐盐性显著相关的基因TaSPL6-D，分为两种单倍型（TaSPL6-DDel和TaSPL6-DIn），其中TaSPL6-DIn由于第一个外显子中插入了47-bp的重复序列而无法编码成熟的SPL类转录因子。生理、生化和不同倍性、不同品种小麦材料背景下的遗传实验证实，TaSPL6-DDel可以直接抑制TaHKT1;5-D的表达，负调控小麦耐盐性。进一步借助CUT&Tag及系列生化、遗传实验，发现TaSPL6-DDel还可以直接抑制TaHKT1;5-D的激活因子，继而进一步负调控TaHKT1;5-D的盐响应过程，表明TaSPL6-D是TaHKT1;5-D上游转录调控的hub。
该研究发现，SPL6-HKT1;5模块在水稻、大麦、短柄草等二倍体禾本科植物中也保守存在。但SPL6是一个“一因多效”基因，其水稻敲除系会导致穗顶端不育等发育障碍；而在六倍体小麦中，虽然只有TaSPL6-D在小麦根部中柱细胞（TaHKT1;5-D的表达部位）高表达，但TaSPL6-A, -B和-D都在穗部高表达-正是由于这种三个拷贝之间的功能冗余和分化，TaSPL6-DIn的导入或TaSPL6-D的敲除实现了耐盐性的显著提升，但不会影响穗的发育。
进一步分析优异单倍型TaSPL6-DIn的分布，发现其在二倍体小麦祖先种节节麦（Aegilopstauschii, 2n=2x=14, 基因组DD）群体中不存在，推测与SPL6参与穗发育的功能有关；在六倍体小麦中，主要存在于农家种中，在现代栽培种中属于稀有变异。利用分子辅助育种手段，将TaSPL6-DIn快速导入到不含该等位基因的现代主栽品种矮抗58中，实现了小麦在山东东营等不同盐碱地中5-9%的产量提升。
该研究得到了三位审稿人一致的好评，认为“进一步拓展了HKT1类转运蛋白在植物耐盐中的实用性，并鉴定到一个重要的转录调控机制；这些发现不仅对于创制耐盐小麦具有意义，对于其他作物的耐盐改良也有潜在价值（This study further expands on the relevance of HKT1 transporters in Na tolerance in plants and identifies an important transcriptional regulation mechanism of HKT1;5. The findings are relevant for development of salt tolerant wheat and potentially other crop species）”。同时，该研究也提供了一个直接案例，表明六倍体小麦在挖掘“一因多效”型耐盐基因资源方面具有独到优势。
中国科学院南京土壤研究所施卫明团队小麦组负责人王萌副研究员为论文独立通讯作者和并列第一作者，中国科学院土壤所/西北农林联培博士生程洁和西北农林科技大学吴建辉副教授为论文的并列第一作者，合作作者包括中国科学院土壤所硕士生陈洁菲，中国科学院土壤所/西北农林联培生王晨阳、刘丹，中国科学院遗传所/崖州湾种子实验室马省伟博士，青岛农业大学郭卫卫博士，中国科学院土壤所李光杰博士、狄东伟博士等，中国科学院土壤所/佛山科技学院施卫明研究员、山东大学夏光敏教授、西北农林韩德俊教授、青岛农业大学张玉梅教授、澳大利亚墨尔本大学Herbert J. Kronzucker教授等各合作团队负责人也参与了本研究。另外，河南大学李浩教授、张鸣博士，南京农业大学李刚教授、刘守阳教授，江苏省农科院何漪博士等对本研究提供了技术支持。研究得到了国家基金委、国家重点研发、江苏省“优青”、中国科学院等项目的资助。
据悉，这是王萌博士及合作者围绕前期提出的“Turn Barrier to Benefit: 以小麦基因组特性为抓手，挖掘小麦特色耐性基因”研究思路（Wang M et al., Trends Plant Sci 2015 & Trends Biotechnol 2018），继利用小麦基因组高比例重复序列的特性，鉴定到串联重复特色耐盐基因簇TaCYP81Ds（Wang M et al., Plant Biotechnol J 2020）及其精细调控模块TaSRO1-TaNAC017（Wang M et al., New Phytol 2022）之后，取得的又一项小麦特色耐盐基因研究成果。
参考文献：
Wang M. et al. (2015) From genome to gene: a new epoch for wheat research? Trends in Plant Science 20: 380-387.
Wang M. et al. (2018) From Genetic Stock to Genome Editing: Gene Exploitation in Wheat. Trends in Biotechnology 36: 160-172.
Wang M. et al. (2020) TaCYP81D5, one member in a wheat cytochrome P450 gene cluster, confers salinity tolerance via reactive oxygen species scavenging. Plant Biotechnology Journal 236: 791-804.
Ma S., Wang M. et al. (2021) WheatOmics: a platform combining multiple omics data to accelerate functional genomics studies in wheat. Molecular Plant 14:1965-1968.
Wang M. et al. (2022) TaSRO1 plays a dual role in suppressing TaSIP1 to fine tune mitochondrial retrograde signaling and enhance salinity stress tolerance. New Phytologist 2：495-511.
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41588-024-01762-2