小麦抗旱与水分利用效率提升的关键基因发现：TabHLH27调控根系生长与干旱耐受性的分子机制

一、研究团队与发表信息
本研究由中国科学院遗传与发育生物学研究所的王东志（Dongzhi Wang）、张秀秀（Xiuxiu Zhang）、曹媛（Yuan Cao）等17位作者共同完成，合作单位包括中国科学院大学、河北师范大学、山东农业大学等。研究成果于2024年5月发表于*Journal of Integrative Plant Biology*（DOI: 10.1111/jipb.13670），标题为《TabHLH27 orchestrates root growth and drought tolerance to enhance water use efficiency in wheat》。

二、学术背景与研究目标
科学领域：本研究属于植物分子遗传学与作物抗逆育种交叉领域，聚焦小麦（*Triticum aestivum*）抗旱性与水分利用效率（Water Use Efficiency, WUE）的遗传调控机制。
研究背景：全球气候变化加剧干旱胁迫，威胁小麦生产。传统研究多关注单一生长阶段的抗旱性，而忽视抗旱与生长发育的平衡机制。根系作为水分吸收与干旱感知的关键器官，其调控基因的挖掘对培育抗旱高产小麦品种至关重要。
研究目标：通过全基因组关联分析（GWAS）和转录组学手段，鉴定同时调控小麦根系发育与穗粒数的关键基因，解析其分子机制，并为分子育种提供靶点。

三、研究流程与方法
1. GWAS分析与候选基因筛选
- 样本：204份小麦种质资源，覆盖不同生态型。
- 方法：利用小麦660K SNP芯片进行基因分型，结合相对根干重（dw.r%）和穗粒数（SPS）表型数据，通过混合线性模型（MLM）分析关联位点。
- 关键发现：染色体2A上1.67 Mb的连锁不平衡区块（LD block）与dw.r%和SPS显著相关，其中转录因子基因*TraesCS2A02G271700*（命名为*TabHLH27-A1*）被锁定为候选基因。

1. 基因功能验证

   • 材料构建：利用CRISPR/Cas9技术在小麦品种“科农199”（KN199）中敲除*TabHLH27*的三个同源基因（A1/B1/D1），获得两个突变体（CR1、CR2）。
     
   • 表型分析：
     
     • 幼苗期：突变体在水分限制（WL）条件下根系生物量减少40%，存活率下降50%。
       
     • 成株期：田间WL条件下，突变体穗长缩短15%，穗粒数减少20%，单株产量降低25%。
       
   • 转录组测序（RNA-seq）： PEG模拟干旱处理后，发现*TabHLH27-A1*通过调控*TaCBL8-B1*（激活）和*TaWRKY70-B1*（抑制）等基因平衡胁迫响应与根系生长。
     

2. 分子机制解析

   • 互作蛋白鉴定：酵母双杂交（Y2H）验证*TabHLH27-A1*与转录因子TaABI3-D1、TaBZIP62-D1的相互作用。
     
   • 双荧光素酶报告系统：证实*TabHLH27-A1*通过结合不同共因子（如TaABI3-D1）实现对下游基因的差异化调控（如抑制*TaWRKY70-B1*、激活*TaMhz3-A1*）。
     
   • 时序调控网络：短期干旱（1-3小时）中*TabHLH27-A1*快速诱导应激基因，长期胁迫（72小时）后通过中介因子TaNAC29-A1间接调控发育相关基因。
     

3. 自然变异与育种应用

   • 单倍型分析：在204份种质中鉴定出*TabHLH27-A1*的两种单倍型（Hap-I/Hap-II），Hap-II品种在干旱下根系生物量提高30%，WUE增加15%。
     
   • 育种选择证据：中国小麦育成品种中Hap-II频率随年代递增，且在低降雨区占比更高（如河北达60%）。
     
   • 回交验证：将Hap-II等位基因导入敏感品种“济麦22”，后代在WL条件下穗粒数增加18%，产量提升22%。
     

四、主要研究结果
1. 基因功能层面：*TabHLH27*通过动态表达模式（短期诱导-长期衰减）协调胁迫响应与生长发育。
2. 分子机制层面：其双重调控功能依赖与不同转录因子的互作，形成“激活-抑制”模块化网络。
3. 育种价值层面：Hap-II单倍型为干旱区小麦育种提供分子标记，且已在中国育种过程中被正向选择。

五、研究结论与价值
科学意义：首次揭示bHLH类转录因子通过时序性调控平衡小麦抗旱性与产量的分子机制，为作物抗逆理论提供新视角。
应用价值：TabHLH27-A1 Hap-II可作为分子标记用于培育抗旱高产小麦品种，尤其适用于半干旱地区。

六、研究亮点
1. 多组学整合：结合GWAS、RNA-seq和表型组学，系统性解析基因功能。
2. 动态调控发现：揭示转录因子通过表达时序差异协调短期应激与长期适应。
3. 育种导向性：从自然变异中挖掘可直接应用的优异等位基因，缩短育种周期。

七、其他价值
研究开发的*TabHLH27-A1*功能标记（SNP -1179）已申请专利，可用于分子标记辅助选择（MAS）。实验流程中优化的PEG模拟干旱方法（9% PEG-6000，72小时）为小麦幼苗抗旱鉴定提供了标准化方案。