小麦粒重与产量调控新机制：TaGDSL-7D启动子自然变异的功能解析

作者与发表信息
本研究由Fei He、Dejie Du、Zhaoyan Chen等（†共同第一作者）及通讯作者Qixin Sun*与Zhongfu Ni*（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）合作完成，于2025年5月29日发表于*Plant Biotechnology Journal*（DOI: 10.1111/pbi.70204）。

学术背景

小麦是全球重要的粮食作物，其产量三要素（单位面积穗数、穗粒数和粒重）中，粒重（Grain Weight, GW）是决定产量的关键因素之一。然而，小麦粒重的遗传调控机制尚未完全阐明。GDSL家族酯酶/脂肪酶（GDSL-family lipases/esterases）在植物中广泛存在，参与多种生理过程，但其在小麦粒重调控中的作用鲜有报道。本研究通过图位克隆（map-based cloning）鉴定到小麦7D染色体上的候选基因*TaGDSL-7D*，解析其启动子自然变异通过增强转录因子TaGT1结合能力提升表达水平，进而增加粒重的分子机制，为高产育种提供了重要靶点。

研究流程与实验设计

1. 近等基因系构建与表型分析

• 研究材料：以小麦品种Hesheng2（HS2）和Nongda4332（4332）为亲本，构建近等基因系（NILs）NIL_HS2和NIL₄₃₃₂，背景相似度达97.8%。
  
• 表型检测：田间试验显示，NIL_HS2的千粒重（TGW）、粒长、粒宽及单株产量显著高于NIL₄₃₃₂（P < 0.001），而株高、穗长无显著差异。
  
• 关键发现：粒重差异与*TaGDSL-7D*表达量显著相关。
  

2. 精细定位与候选基因鉴定

• 定位策略：利用重组单株（9500株群体）将*QTGW.CAU-7D*定位至7D染色体1.6 Mb区间（标记M4-M34），包含32个高置信基因。
  
• 候选基因筛选：通过启动子区（2 kb）变异分析和qRT-PCR，发现*TraesCS7D02G109200*（命名为*TaGDSL-7D*）在NIL_HS2中表达量较NIL₄₃₃₂高4.5倍，其编码GDSL家族蛋白，定位于内质网（ER）。
  
• 同源基因分析：*TaGDSL-7D*的同源基因*TaGDSL-7A*和*TaGDSL-7B*在籽粒中表达极低，提示其功能特异性。
  

3. 功能验证与分子机制

• 启动子变异验证：HS2启动子区-1666至-1665 bp的TT>GG变异通过瞬时表达实验证实增强转录活性（12倍差异）。
  
• CRISPR/Cas9敲除：在品种‘Fielder’（弱启动子型）中敲除*TaGDSL-7D*导致粒重显著下降；而在‘CB037’（强启动子型）中敲除同样验证其正向调控作用。
  
• 互补实验：将HS2启动子片段转入‘Fielder’后，粒重恢复并显著提升。
  

4. 转录调控机制解析

• 转录因子筛选：发现Trihelix家族蛋白TaGT1结合启动子区GT1-like motif（GGTTAG），EMSA和Y1H证实其结合能力受TT/GG变异影响（TT型结合更强）。
  
• 协同调控：TaGT1与油菜素内酯（BR）信号通路关键因子TaBZR1互作，通过Co-IP和双荧光素酶实验证明二者协同激活*TaGDSL-7D*表达。
  

5. 单倍型分析与育种应用

• 地理分布：在174份小麦材料中，*TaGDSL-7D^HS2*等位基因仅存在于中国品种（频率7.5%），现代品种中占比显著高于地方种（85.5% vs 4.3%）。
  
• 产量潜力：NIL_HS2在高低密度种植下均比NIL₄₃₃₂增产，证实其育种价值。
  

主要结果与逻辑链条

1. 定位与候选基因：通过NILs表型差异锁定*TaGDSL-7D*，其启动子变异（TT>GG）导致表达量差异。
   
2. 功能验证：敲除实验证明*TaGDSL-7D*正向调控粒重；互补实验确认启动子变异的功能。
   
3. 分子机制：TaGT1-TaBZR1复合物通过结合启动子GT1-like motif和BR响应元件（BRRE）协同激活转录。
   
4. 育种意义：*TaGDSL-7D^HS2*与早熟基因*FT-1*的紧密连锁解释了其在现代品种中的高频选择。
   

结论与价值

1. 科学价值：首次揭示GDSL家族基因通过ER定位和脂代谢途径调控小麦粒重，拓展了粒重遗传网络。
   
2. 应用价值：*TaGDSL-7D^HS2*为分子标记辅助育种提供了高效靶点，其与*FT-1*的连锁可通过基因编辑优化组合以突破产量瓶颈。
   

研究亮点

1. 新基因功能：发现*TaGDSL-7D*作为GDSL家族成员调控粒重的新机制。
   
2. 创新方法：结合图位克隆、单倍型分析和基因编辑，系统解析自然变异的育种潜力。
   
3. 调控网络：揭示TaGT1-TaBZR1协同转录调控的分子模块，为BR信号通路与粒重关联提供新证据。
   

其他价值
研究还发现*TaGDSL-7D*与早熟基因*FT-1*的紧密连锁可能通过育种选择无意固定，提示未来需通过基因编辑解耦此类关联以最大化产量潜力。