image: 图1 小麦TaAPA2基因的克隆、功能验证和机制解析 view more
Credit: ©《中国科学》杂志社
小麦是全球分布最广泛的粮食作物，世界上约有35%-40%的人口以小麦为主食。叶、穗和籽粒等形态是决定作物生长、发育和产量的关键因素。在拟南芥、水稻、玉米等植物中，已经有不少形态性状的控制基因被克隆和报道。但由于小麦基因组的复杂性，目前这方面的研究依然较少。小麦形态性状控制基因的研究对于提高产量和环境适应性等至关重要。
近日，Science China Life Sciences在线发表了北京大学现代农业研究院题为“Mutations in wheat TaAPA2 gene result in pleiotropic effects on plant architecture”的文章，通过图位克隆、EMS突变体、CRISPR/Cas9基因编辑和转基因验证克隆了小麦TaAPA2基因，其编码蛋白含有vWA和Vwaint结构域，揭示了TaAPA2突变存在显性负效应，并可能通过质子泵(H+-ATPases)调控小麦植株形态建成。
该团队前期鉴定到18个独立的宁春4号EMS突变系，表现出叶和种子短圆、颖壳变短、叶夹角变小和延迟开花等多种表型变化（图1A）。利用图位克隆方法，获得候选基因TaAPA2（图1B），该基因的点突变引起小麦多种形态性状的改变。除了18个宁春4号的EMS突变体，该研究还获得周麦36和Cadenza的EMS突变系，都在该基因存在点突变并造成类似的表型变化（图1C）。TaAPA2编码一个特殊蛋白具有vWA和Vwaint结构域。随后，利用CRISPR/Cas9基因编辑和稳定的转基因实验对TaAPA2进行了进一步功能验证（图1D）。该研究发现semi-dominant的EMS和基因编辑突变可能是通过显性负性效应（dominant-negative effects）起作用，证明突变蛋白与正常蛋白存在竞争性相互作用且存在剂量效应（图1E）。在128份普通小麦和158份节节麦材料中，共发现了6种TaAPA2的单倍型。其中，单倍型H1在普通小麦品种中属于优势类型，而H２在节节麦中属于优势单倍型。TaAPA2主要在穗部和SAM（shoot apical meristem）中高表达，且亚细胞定位显示其定位于细胞质和质膜。另外，该研究还发现TaAPA2与TaCCDC115（TraesCS2A02G364600）蛋白互作（图1F），且该互作会受到TaCCDC115的互作蛋白V-ATPase亚基TaVHA-c（TraesCS5D02G130000）的干扰，推测TaAPA2、TaCCDC115和V-ATPase复合体之间存在潜在的调节机制。综上所述，该研究克隆到了调控小麦植株形态建成的关键控制基因TaAPA2，为人们了解含有vWA结构域的蛋白在调控小麦植株形态中的功能机制奠定了基础。
北京大学现代农业研究院白升升和王桂平博士为论文的共同第一作者，北京大学现代农业研究院陈时盛研究员和王峥副研究员为该文的共同通讯作者。该研究得到山东省重点项目ZR202211070163 和2023LZGC022等项目的资助。中国农科院作科所刘录祥研究员团队利用其它背景突变体得到了与本研究相似的研究成果，论文以背靠背形式发表在 Science China Life Sciences 杂志。
研究详情请见原文：
Mutations in wheat TaAPA2 gene result in pleiotropic effects on plant architecture.
原文链接：https://doi.org/10.1007/s11427-024-2620-7
Journal
Science China Life Sciences