研究论文解读

作者与发表信息

本研究题为“A domestication gene links plant architecture and nitrogen metabolism to enhance yield in foxtail millet”（一个驯化基因连接植物构型与氮代谢以提高谷子产量），发表于 *Nature Communications*（2026年第17卷，文章编号7739）。第一作者为Chenyan Wang、Kai Zhao、Hui Zhang、Chenyang Xu和Yuqing Xu（并列第一作者），通讯作者为Xiangdong Fu、Zhaosheng Kong和Shuansuo Wang，主要研究机构为山西农业大学（Shanxi Agricultural University）和山西省后稷实验室（Shanxi Hou Ji Laboratory），合作单位包括中国科学院遗传与发育生物学研究所。

学术背景

谷子（foxtail millet, *Setaria italica*）是一种富含营养的C4谷物，是中国、印度及撒哈拉以南非洲干旱半干旱地区数百万人的主粮。然而，谷子的平均产量仅为约2.5–3.5吨/公顷，远低于水稻和小麦，主要限制因素为不理想的植株构型——高大茎秆、易倒伏、分蘖少。二十世纪中叶的“绿色革命”通过操纵赤霉素（gibberellin, GA）通路中的半矮秆等位基因（如水稻的*sd1*和小麦的*Rht1*）实现了谷物产量的巨大提升，但这些品种通常需要高投入且氮利用效率（nitrogen use efficiency, NUE）较低。近年来对水稻的研究表明，一些核心发育调控因子具有多效性功能，能协同优化作物构型与生理特性，例如SLR1与OsGRF4共同协调生长与氮利用效率。然而，这类协调机制是否在C4作物中保守存在，以及能否用于同时改良谷子的构型与养分利用效率，尚不清楚。本研究旨在填补这一空白。

研究流程

研究从比较广泛种植的高秆单秆品种JG21与矮秆多分蘖品种Dungu开始，后者单株产量高出34.2%且抗倒伏性更强。为解析其遗传基础，研究者首先对Dungu进行了端粒到端粒（telomere-to-telomere, T2T）基因组组装：利用PacBio HiFi（31.8 Gb）、Oxford Nanopore超长读段（74.5 Gb）、Hi-C（190.6 Gb）和MGI短读段（56.7 Gb）数据，通过Canu、HiFiasm、NextDenovo等工具进行混合组装，再以NextPolish进行纠错，最终获得9条无间隙的假染色体，总长424.5 Mb，contig N50为49.54 Mb，质量值（QV）为57.13。Busco分析显示完整度100%，共注释42,989个蛋白编码基因，并识别了端粒、着丝粒及非编码RNA。

在此基础上，研究者通过将Dungu与JG21杂交，观察到F1代呈现中间株高和分蘖数，F2群体中两个性状共分离并符合1:2:1分离比，表明这些性状由单一不完全显性位点控制。随后利用集群分离分析（bulked segregant analysis, BSA-seq）将因果位点定位到5号染色体44.2–47.2 Mb区间，进一步精细定位将其缩小至约40 kb。在该区间内发现Dungu特有的单碱基G缺失（c.1015 del G），导致*SiDG5G0048970*基因发生移码突变。该基因编码赤霉素20-氧化酶（GA20ox），为水稻*sd1*的直系同源基因，因此命名为*SiSD1*。研究者通过将Dungu的突变等位基因回交至JG21背景三轮获得近等基因系（near-isogenic line, NIL）JG21-*sisd1*，并发现引入野生型*SiSD1*基因组片段可恢复株高和分蘖表型；CRISPR/Cas9敲除*SiSD1*则导致严重矮化，证实*SiSD1*为因果基因。

在研究*SiSD1*功能的过程中，研究者对JG21和JG21-*sisd1*进行了系统的生理与分子分析，包括外源GA₃和PAC（GA合成抑制剂）处理、内源GA含量测定、氮吸收和同化活性测定、铵态氮毒害实验、基因表达分析以及SLR1蛋白丰度检测。为解析*SiSD1*的转录调控，研究者进行了酵母单杂交筛选，鉴定出两个乙烯响应转录因子SiERF7和SiERF073；随后通过电泳迁移率变动分析（EMSA）、双荧光素酶报告系统、酵母双杂交、双分子荧光互补（BiFC）和免疫共沉淀（Co-IP）等实验，阐明了SiSLR1–SiERF7/073–*SiSD1*的调控模块。在驯化分析中，研究者对317份栽培品种和36份野生青狗尾草（*Setaria viridis*）进行了*SiSD1*的单倍型分析和群体遗传学分析，鉴定出关键的E157D氨基酸替换，并通过分子对接、体外酶活实验以及在9311突变体背景中的异源过表达实验比较了栽培型SiSD1和野生型SvSD1的酶活性差异。此外，研究者还对18个主要商业杂交品种及其亲本进行了基因分型，并构建了F₁杂交组合进行产量评估。

主要结果

与JG21相比，JG21-*sisd1*植株株高显著降低，分蘖数和穗数增加，单株产量提高；过表达*SiSD1*则导致株高增加、分蘖减少且产量降低，呈剂量依赖效应。外源GA₃处理可使JG21-*sisd1*恢复至野生型高度，而PAC处理敏感性降低，表明*SiSD1*突变导致GA生物合成缺陷而非信号传导缺陷。JG21-*sisd1*中活性GA（GA₁、GA₃、GA₇）水平下降，前体物质积累，SiSLR1蛋白显著积累，形成反馈调控环路。

在氮代谢方面，JG21-*sisd1*在高铵条件下生长严重抑制甚至死亡，而高硝酸盐可部分恢复其矮化表型。*SiSD1*突变体表现出铵吸收速率增加、硝酸盐吸收速率降低、谷氨酰胺合成酶（GS）活性下降和硝酸还原酶（NR）活性升高等特征。铵转运蛋白基因（*SiAMT1.1*、*SiAMT1.2*、*SiAMT2.1*）表达上调，而硝酸盐转运蛋白基因（*SiNRT1.1*、*SiNRT2.1*）和谷氨酰胺合成酶基因（*SiGS1.1*、*SiGS1.2*）表达下调，阐明了*SiSD1*对铵态氮和硝态氮利用的差异化调控。

在分子调控机制上，SiERF7和SiERF073能直接结合*SiSD1*启动子中的GCC-box相关基序并激活其转录，而SiSLR1能与二者物理互作，减弱它们对启动子的结合能力，从而抑制*SiSD1*的表达。SiERF7/SiERF073过表达水稻促进茎伸长并上调GA合成基因表达和活性GA含量，而SiSLR1过表达则呈现严重矮化表型和降低的GA水平，验证了该调控模块的生理功能。

驯化分析发现，栽培品种JG21携带E157等位基因，野生青狗尾草携带D157等位基因。E157等位基因在栽培群体中近乎固定（298/317），而D157在野生群体中占优势（26/36），Fst大于0.6且栽培群体的Tajima’s D显著为负，表明该位点经历了强选择性清除。体外酶活实验证明SvSD1（D157）催化GA₁₂转化为下游产物的效率显著高于SiSD1（E157）。近等基因系比较表明RIL246-*sisd1*较RIL246-*svsd1*具有略低的株高和分蘖，但单株产量显著更高，内源GA含量更低。

在育种应用方面，基因型调查显示约88.8%（16/18）的商业杂交品种携带SiSD1/*sisd1*杂合基因型，包括所有8个张杂谷系列品种。F₁杂种在GA含量、SLR1蛋白水平、铵和硝酸盐吸收以及氮同化基因表达方面均呈现介于双亲之间的独特模式，其中铵同化基因*SiGS1.1*和*SiGS1.2*呈现超亲表达。田间评价证实，杂合SiSD1/*sisd1*基因型的产量显著高于两种纯合基因型。

结论与意义

本研究鉴定了一个谷子中的多效性枢纽基因*SiSD1*，它编码GA20ox2，通过赤霉素生物合成调控植株构型，并同时协调铵态氮与硝态氮的吸收和同化。该基因的杂合状态能优化株高、分蘖和氮获取之间的平衡，从而驱动产量杂种优势。研究还揭示了*SiSD1*的转录调控模块SiSLR1–SiERF7/073，并证明D157E氨基酸替换减弱了GA生物合成活性，在谷子驯化过程中被选择。本研究将绿色革命基因直系同源物的功能拓展到氮代谢和杂种优势领域，为干旱半干旱地区谷类作物复杂性状的遗传改良和分子育种提供了新的靶点和策略框架。

研究亮点

本研究首次在谷子中完成了T2T无间隙基因组组装并用于图位克隆，实现了从基因组到基因功能验证的完整研究链条。其重要发现在于*SiSD1*超越了传统GA生物合成基因的角色，构成了连接植株构型与氮代谢的多效性整合因子。特别是杂合SiSD1/*sisd1*基因型在商业杂交种中的广泛利用，为杂种优势的生理机制提供了新的解释——母本等位基因增强铵吸收，父本等位基因促进硝态氮利用，二者形成代谢互补。此外，驯化过程中D157E替换对GA活性的微调，体现了从野生型快速繁殖策略向栽培型高产优先策略的进化权衡，为理解作物驯化的分子基础提供了重要案例。