Nature Communications| 农学院小麦研究中心揭示STKc_GSK3激酶TaSG-D1调控小麦耐热性的新机制
近日，中国农业大学 小麦研究中心 在 Nature Communications 在线发表了题为 "Natural variation of STKc_GSK3 kinase TaSG-D1 contributes to heat stress tolerance in Indian dwarf wheat" 的研究论文，该研究揭示了 STKc_GSK3 激酶 TaSG-D1 单氨基酸变异提高了 TaPIF4 磷酸化水平，参与调控小麦耐热性的分子机制，为改善小麦耐热性提供了新思路。
全球变暖对粮食安全造成严重威胁，降低作物产量和品质。据报道，温度每升高 1°C，小麦产量预计将下降约 6％。印度圆粒小麦 (Triticum sphaerococcum) 原产于印度和巴基斯坦地区，有较强的高温适应性，然而其耐热机制仍然是未知的。因此挖掘和鉴定印度圆粒小麦中的关键耐热基因，并揭示其相关调控网络对于提高作物的耐热性具有重要意义。
01 TaSG-D1E286K 显著提高小麦耐热性
该研究鉴定到了一个位于 3D 染色体短臂上调控小麦耐热性的基因 TaSG-D1 ，该基因编码一个 STKc_GSK3 激酶，在两个亲本 (HS2 和 ND4332) 之间存在一个错义突变，即 286 位的氨基酸由谷氨酸 (E) 变为赖氨酸 (K)。通过对NIL系、EMS突变体以及超表达材料进行耐热性鉴定，证实了E286K变异能显著提高小麦耐热性 (图1)。
图 1 TaSG-D1E286K 突变体及超表达材料耐热表型鉴定
02 TaSG-D1E286K 磷酸化并增加 TaPIF4 蛋白稳定性
进一步研究发现， TaSG-D1 可以与BHLH家族转录因子 TaPIF4 相互作用并磷酸化 TaPIF4 。E286K的突变增强了 TaSG-D1 在热胁迫下的稳定性以及与 TaPIF4 的互作强度，从而导致 TaPIF4 的磷酸化水平提高，蛋白稳定性增强 (图2)。
图 2 TaSG-D1 磷酸化 TaPIF4
03 磷酸化的 TaPIF4 显著提高小麦耐热性
通过对 TaPIF4 的 CRISPR-Cas9 突变体材料以及 TaPIF4 磷酸化形式 (TaPIF4D) 超表达材料进行苗期耐热性鉴定，发现磷酸化的 TaPIF4 显著提高了小麦耐热性。通过对热处理前后 TaPIF4 敲除系及其野生型Fielder进行转录组测序分析，发现 TaPIF4 参与调控一系列热响应以及蛋白质折叠基因正向调控小麦耐热性。同时我们鉴定到 TaPIF4 可以结合在 TaMBF1c 的启动子上，促进其表达，而且磷酸化形式的 TaPIF4 (TaPIF4D) 激活能力更强 (图3)。
图 3 磷酸化的 TaPIF4 提高小麦耐热性
04 TaSG-D1 和TaPIF4 的遗传变异分析
最后，我们对 TaSG-D1 以及 TaPIF4 基因的序列变异进行了分析， TaPIF4 的启动子区存在三种单倍型，启动子缺失和插入单倍型导致 TaPIF4 启动子活性降低，不利于耐热。进一步分析发现启动子变异单倍型在中国育成种中普遍存在，而在中国地方种中仅有 9.5%。这些结果表明在中国育种进程中 TaPIF4 耐热优异单倍型未被广泛利用，在耐热遗传改良中具有一定的应用价值 (图 4)。
图 4 TaSG-D1 和 TaPIF4 遗传变异分析
05 结论与讨论
综上，该研究鉴定到了一个小麦耐热基因 TaSG-D1 ，并阐明了由于 286 位氨基酸 E 到 K 的突变而导致的耐热性差异。进一步分析了 TaSG-D1 和 TaPIF4 的潜在应用价值，为小麦耐热性状改良提供了遗传资源。
中国农业大学农学院小麦研究中心 辛明明 教授为该论文的通讯作者。博士研究生 曹洁 和 秦震 为论文共同第一作者。小麦研究中心 孙其信 院士、倪中福 教授、彭惠茹 教授、姚颖垠 教授、胡兆荣 教授、郭伟龙 副教授对该工作进行了指导和帮助。博士研究生 崔广宪 以及已毕业博士生 陈朝燕、程雪娇 参与了该研究。感谢中国农业科学院作物科学研究所 孔秀英 研究员提供的 TaPIF4 超表达转基因种子。该工作得到了国家重点研发计划 (SQ2022YFD1200002)、国家自然科学基金 (31922067) 、内蒙古科技专项 (NMKJXM202201) 、中国高校科学基金 (2021TC036) 的资助。
团队介绍
孙其信 院士作为学术带头人的中国农业大学小麦研究中心长期围绕多倍体小麦广适性的遗传基础和分子机制、小麦产量性状形成、小麦品质性状遗传调控等一系列重要科学问题开展系统深入的研究。该团队在“十三五”期间共获得国家科技进步二等奖1项，国家技术发明二等奖1项，教育部高校科研优秀成果技术发明奖一等奖1项，中华农业科技奖优秀创新团队奖1项；近5年在小麦研究方向发表Nature、Nature Communications、The Plant Cell、Molecular Plant等高水平研究论文 50 余篇。