Science Advance | 农学院小麦研究中心系统阐释了叶片发育的分子机制，为小麦株系育种提供新的基因资源
叶片是植物的重要组成部分，在植物生长和发育中发挥着至关重要的作用。它们不仅是光合作用的主要场所，也是植物进行气体交换、蒸散和养分合成的重要器官。小麦是群体作物，适宜的叶片大小有利于提高群体的光合作用效率，有利于种植密度的增加，进而能够增加小麦的产量。迄今为止，小麦中已克隆的控制叶片大小的基因还非常少，对叶片发育的分子机制更是知之甚少。因此，克隆控制小麦叶片发育相关的基因并解析其分子机制具有重要的理论意义。
近日，中国农业大学小麦研究中心在 Science Advance 在线发表了题为“The TaWAK2-TaNAL1-TaDST pathway regulates leaf width via cytokinin signaling in wheat”的研究论文，该研究克隆了控制叶片大小的关键基因 TaWAK2-A,系统阐释了 TaWAK2-TaNAL1-TaDST 介导的细胞分裂素信号调控叶片发育的分子机制，这不仅丰富了人们对小麦叶片发育信号网络的认识，也为小麦的株型育种提供了新的基因资源。
研究问题
叶片是小麦进行光合作用的主要器官，为干物质积累的重要来源，其形态和大小直接影响群体的受光条件和光合作用效率。挖掘控制小麦叶片发育相关的基因并解析其分子机制，为小麦的遗传改良提供重要基因资源和奠定理论基础。
研究内容
该研究通过EMS诱变获得了一个小麦窄叶突变体nl1，通过图位克隆鉴定了调控叶片宽度的重要基因TaWAK2-A,并且系统阐释了该基因从细胞膜到细胞核信号转导的分子机制，极大的丰富了人们对于叶片调控机理的认识。此外，研究还鉴定了多个调控叶片发育的下游基因，为分子设计育种提供了重要的基因资源。
进一步研究发现，TaWAK2-A编码一个细胞膜定位的蛋白，其525位上氨基酸的突变不影响其亚细胞定位，但是显著减弱了其蛋白稳定性，从而造成该基因的功能减弱。
利用一系列的分子生物学手段，进一步解析了TaWAK2调控叶片发育的分子机制。在正常发育的叶片中，被磷酸化激活的TaWAK2-A与丝氨酸/半胱氨酸蛋白酶TaNAL相互作用，并进一步对其进行蛋白磷酸化修饰，增强了TaNAL的蛋白酶活性。从而加速了对锌指转录因子TaDST的降解，造成TaCKX9/11基因的下调表达，使细胞内细胞分裂素（CK）正常积累，而保证叶片的正常发育。然而，在nl1突变体中，由于TaWAK2-A第525位的丙氨酸被缬氨酸替代，从而使该蛋白的稳定性降低，从而抑制了TaNAL1的活性，造成了TaDST蛋白的积累，导致TaCKX9/11的上调表达和CK水平下调，使小麦表现出窄叶表型。
本研究克隆了一个小麦叶片发育的重要基因并系统解析了TaWAK2-TaNAL1-TaDST介导的细胞分裂素信号调控叶片发育的分子机制。这些发现拓宽了人们对叶片发育的理解，并为未来叶片结构的设计育种提供了重要的基因资源。
中国农业大学农学院小麦研究中心 辛明明 教授和 倪中福 教授为该论文的通讯作者。博士后 杜德杰、博士研究生 李兆举 和硕士研究生 袁俊 为论文共同第一作者。小麦研究中心 孙其信 院士、姚颖垠 教授、彭惠茹 教授、胡兆荣 教授、郭伟龙 副教授、刘杰 教授和 柴岭岭 副研究员对该工作进行了指导和帮助。博士研究生 何飞、王乃娇、李仁汉、博士后 李雄涛、柯文胜、张东雪、已出站博士后 陈朝燕 以及硕士研究生 蒋子豪、刘云杰 参与了该研究。该工作得到了国家自然科学基金 (32301830、31991210)、崖州湾种子实验室项目 (B21HJ0111)、拼多多-中国农业大学研究基金 (PC2023A01003) 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。