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我院在小麦穗下节间长基因的克隆和分子调控机制取得重要进展

发布时间：2025-09-08

近日，我院研究团队联合江苏省农科院研究团队在国际知名期刊Molecular Plant （中科院双一区TOP期刊，2024年影响因子24.1，植物科学领域SCI期刊中排名居全球第一）上发表题为“PEDUNCLE LENGTH 1 regulates wheat peduncle elongation through brassinosteroid signaling pathway”的研究论文。柳洪副教授、支丽雅博士和乔华亮博士研究生为该论文的共同第一作者；李俊明教授、汤文强教授和江苏省农科院张娜副研究员为共同通讯作者。

株高是影响小麦株型结构和产量潜力的关键农艺性状，其中穗下节作为连接旗叶与穗部的重要枢纽，不仅支撑植株高度，还承担水分、养分运输及灌浆期碳水化合物临时储存与再动员的功能，直接关系到籽粒灌浆效率及小麦最终产量。水稻中穗下节伸长调控机制已有较多研究，主要由GA失活蛋白EUI和EUI2调控；然而小麦中特异性调控穗下节伸长的基因与分子调控机制尚不明确。

该研究团队前期在穗下节短的品种科农9204中鉴定到一个调控小麦穗下节伸长的主效QTL位点QFiritl-6B，并在本研究中将其精细定位至一个涵盖四个注释基因的1.4 Mb的基因组区间。通过亲本序列比对分析发现，一个编码MADS-box蛋白的基因TraesKN6B01HG34760在亲本间存在10.7 kb的大片段缺失和多个SNP/Indel变异。基因表达分析进一步表明该基因在近等基因系中差异表达，最终被确定为候选基因，并被命名为TaPL1。

功能验证显示，过表达TaPL1可使穗下节长度增加28.4%，株高增加7.6%；而敲除突变体则出现穗下节缩短24.9-45.4%，株高降低7.9-16.7%的表型。值得注意的是，tapl1敲除系在千粒重和粒宽方面分别显著增加3.1-8.5%和3.4-5.1%，表明该基因在协同调控小麦株型与籽粒发育中具有多效性。

机制研究表明，TaPL1通过调节BR信号通路调控穗下节伸长。转录组分析、外源激素处理与内源激素含量测定结果一致显示，TaPL1缺失导致BR信号响应减弱。进一步通过ChIP-qPCR、EMSA和双荧光素酶报告实验证明，TaPL1可直接结合BR信号负调控因子TaBKI1-A1/B1的启动子区并抑制其表达。同时，TaPL1功能缺失还会引起赤霉素（GA）水平下降，表明BR与GA通路共同参与该过程，通过激素互作和交叉对话调控穗下节细胞的伸长。

研究还发现TaPL1的优良单倍型TaPL1-K可降低穗下节长度与株高，同时增加粒重，在现代小麦品种中的分布频率仅为9.0%，主要集中于河北冀中南麦区。该研究不仅揭示了TaPL1-BR模块调控小麦穗下节伸长的分子机制，也为未来高产、抗倒伏小麦品种的分子设计育种提供了新的策略和遗传资源。该研究得到国家自然科学基金、河北省自然科学基金和国家产业体系等项目的资助。