小麦叶片宽度调控机制的重大发现：TAWAK2-TANAL1-TADST信号通路通过细胞分裂素信号调控叶片发育

第一作者及研究机构
本研究由Du等科学家团队完成，通讯作者为中国农业大学的Zhongfu Ni和Mingming Xin。研究团队来自中国农业大学分子设计育种前沿科学中心、作物杂种优势研究与利用教育部重点实验室。研究成果于2024年8月28日发表在*Science Advances*期刊（DOI: 10.1126/sciadv.adp5541）。

学术背景
叶片是植物光合作用和呼吸作用的核心器官，其形态和大小直接影响作物的产量。小麦（*Triticum aestivum*）作为全球主要粮食作物，其叶片发育的分子机制尚不明确。尽管水稻中已发现多个调控叶片宽度的基因（如*OsNAL1*、*OsWL1*），但小麦中类似通路的解析仍属空白。本研究旨在揭示小麦叶片宽度调控的分子机制，为作物株型改良提供理论依据。

研究流程与方法
1. 突变体筛选与基因定位
- 研究对象：通过乙基甲烷磺酸盐（EMS）诱变小麦品种“晋麦47”（JM47），获得窄叶突变体*nl1*。
- 遗传分析：构建*nl1*与3个小麦品种（JM47、京411、百农207）的F2群体，发现窄叶表型符合单基因隐性遗传规律（χ²检验，P>0.05）。
- 图位克隆：利用473株窄叶F2个体，将候选基因定位到1A染色体短臂156 kb区间，发现*TraesCS1A02G058200*（命名为*TAWAK2-A*）的1577位点发生C→T突变，导致第525位丙氨酸（Ala）变为缬氨酸（Val）。

1. 功能验证

   • 基因编辑：利用CRISPR-Cas9敲除*TAWAK2-A*，获得两个独立突变株系（#1和#2），其叶片宽度减少27.6%~54.0%。
     
   • 过表达实验：通过农杆菌转化在“Fielder”背景中过表达*TAWAK2-A*，叶片宽度显著增加。
     
   • 蛋白稳定性分析：细胞降解实验表明，A525V突变导致TAWAK2-A蛋白通过26S蛋白酶体途径降解加速（加入蛋白酶体抑制剂MG132可部分恢复蛋白积累）。
     

2. 互作与磷酸化机制

   • 蛋白互作：通过分裂荧光素酶互补（LUC）、双分子荧光互补（BiFC）和免疫共沉淀（Co-IP）证实TAWAK2-A与类胰蛋白酶丝氨酸/半胱氨酸蛋白酶TANAL1直接互作，且互作依赖于TAWAK2-A的激酶结构域（KD）。
     
   • 磷酸化调控：体外激酶实验显示，TAWAK2-A磷酸化TANAL1的Ser562和Ser568位点；磷酸化修饰增强TANAL1对锌指转录因子TADST的降解能力（通过泛素-蛋白酶体途径）。
     

3. 下游信号通路

   • 转录组分析：*nl1*突变体中细胞分裂素（CK）含量显著降低，CK氧化酶基因*TaCKX9/11*表达上调。
     
   • 转录调控：EMSA和瞬时表达实验证实TADST直接结合*TaCKX9*启动子的DST结合序列（DBS），激活其表达；TANAL1通过降解TADST抑制这一过程。
     
   • 表型挽救：外源施加6-苄氨基嘌呤（6BA）可部分恢复*nl1*的窄叶表型。
     

主要结果
1. TAWAK2-A的功能：A525V突变导致蛋白稳定性下降，引发叶片细胞分裂和扩张受阻，表现为窄叶、株高降低和穗粒数减少。
2. 信号通路层级：TAWAK2-A→TANAL1（磷酸化）→TADST（降解）→*TaCKX9/11*（抑制）→CK积累→叶片扩张。
3. 农艺性状关联：过表达*TAWAK2-A*不仅增加叶宽，还提升千粒重（12.7%~14.2%），表明该基因协同调控叶片发育与产量。

结论与意义
本研究首次揭示了小麦中TAWAK2-TANAL1-TADST信号通路通过调控细胞分裂素稳态决定叶片宽度的分子机制。科学价值：
1. 填补了小麦叶片发育分子网络的空白，为禾本科作物株型研究提供新范式。
2. 阐明了WAK家族激酶（Wall-Associated Kinase）在非生物胁迫响应外的发育调控功能。
应用价值：*TAWAK2-A*可作为分子标记用于设计“理想株型”小麦，平衡光合效率与产量潜力。

研究亮点
1. 创新方法：结合图位克隆与多组学分析，解析了从膜受体到激素信号的完整通路。
2. 跨物种保守性：发现小麦TANAL1与水稻OsNAL1功能相似性，但调控路径存在物种特异性（如TADST为小麦特有负调控因子）。
3. 应用潜力：通过编辑*TAWAK2-A*或*TADST*可精准调控叶片形态，适应不同种植环境需求。

其他发现
TAWAK2可能响应环境信号（如果胶甲基化状态），未来可探索其在胁迫应答中的双重功能。