木质素是植物细胞壁的重要成分，不仅为植物提供机械支持，还在植物防御生物和非生物胁迫中起着重要作用。此外，工业应用关注的植物产物（如青贮饲料生产、生物燃料等），这些产物产量与植物细胞壁中木质素的含量和组成直接相关。肉桂醇脱氢酶（CAD）是木质素合成途径中的关键酶，在拟南芥、水稻、玉米、高粱和二穗短柄草等植物中已有相关突变体的报道，由于小麦基因组的复杂性以及同源基因的功能冗余，目前小麦木质素合成相关基因的研究寥寥无几。
近日，北京大学现代农业研究院陈时盛团队与合作者在Plant Biotechnology Journal 期刊在线发表了题为“Manipulation of the brown glume and internode 1 gene leads to alterations in the colouration of lignified tissues, lignin content, and pathogen resistance in wheat”的研究论文，揭示了小麦肉桂醇脱氢酶BGI1 在调控茎秆/穗轴/颖壳颜色、木质素含量以及小麦根腐病和茎基腐病抗病性中发挥重要作用。
研究团队在小麦祖先种节节麦（Aegilops tauschii, DD, 2n = 14）材料PI 511383的EMS突变体库中鉴定到一份具有红棕色茎秆/穗轴/颖壳的bgi1（brown glume and internode 1）突变体（图1）。通过群体遗传分析、基因定位以及单核苷酸多态性（SNP）分析，发现位于6D染色体上的AET6Gv20438400 可能是BGI1的候选基因，该基因编码一个肉桂醇脱氢酶。测序结果显示AET6Gv20438400 基因中存在一个G2098A的SNP，该突变发生在第一个内含子的剪接受体位点，产生了移码突变，导致蛋白翻译提前终止（图1）。
图1. 节节麦野生型和bgi1 突变体的表型图；以及该基因的遗传定位和克隆为了对候选基因的功能进行验证，团队利用已测序的四倍体Kronos和六倍体Cadenza的EMS突变体群体，将获得的候选基因（或同源基因）提前终止或者移码的EMS突变体，通过杂交和自交的方法获得候选基因完全突变的家系，发现这些BGI1 完全突变的家系在开花期均表现出红棕色茎秆/穗轴/颖壳的表型（图2）。
图2. 利用四倍体Kronos和六倍体Cadenza的EMS突变体进行功能验证
同时，利用BSMV-sgRNA介导的基因编辑技术获得的BGI1 基因A/B/D完全敲除的Bobwhite植株呈现出红棕色茎秆/穗轴/颖壳的表型（图3）。综上所述，功能缺失的EMS突变体和基因编辑纯合植株的表型证实AET6Gv20438400 是BGI1基因。
图3. 利用BSMV-sgRNA介导的基因编辑敲除进行功能验证对野生型、BGI1 敲除和过表达植株茎秆的木质素含量进行检测，组织切片染色观察、Klason木质素含量检测以及茎秆强度测定结果显示，BGI1 敲除家系茎秆的木质素含量和剪切力显著降低，而BGI1 过表达植株茎秆的木质素含量和剪切力显著增加（图4）。生化实验证实，BGI1 在体内和体外均具有肉桂醇脱氢酶（CAD）活性，参与木质素的生物合成（图4）。同时发现过表达植株提高了小麦根腐病和茎基腐病抗性（图4）。
图4. 野生型、敲除突变和过表达转基因植株组织切片染色观察；以及小麦根腐病和茎基腐病抗性鉴定BGI1 主要在茎秆和穗部中高表达，亚细胞定位显示其定位于细胞质。转录组分析揭示了BGI1 的调控网络，主要包括木质素合成、脱落酸（ABA）通路。此外，研究发现BGI1 与ABA信号通路中的TaPYL-1D蛋白相互作用，暗示BGI1 可能参与ABA信号通路（图5）。
图5. BGI1分子机制初探
综上所述，该研究克隆了控制小麦木质素合成的关键基因BGI1 ，首次揭示了BGI1 基因在调控小麦茎/穗/颖壳颜色、木质素合成和抗病反应中的多重功能。这一发现为小麦茎秆木质素含量（茎秆强度）和抗病遗传改良提供了新的思路和基因资源，为人们进一步了解小麦中木质素合成相关基因奠定了基础。北京大学现代农业研究院副研究员华蕾、科研助理宋瑞和郝小花为本文的共同第一作者；北京大学现代农业研究院陈时盛研究员、UC Davis张朝中博士、河北农业大学王逍冬教授和山东农业大学董玉秀副教授为共同通讯作者；研究得到了山东农业大学付道林教授和吴佳洁教授的帮助。感谢山东省重点研发计划、国家自然科学基金、山东省泰山学者等项目的资助。全文链接：https://doi.org/10.1111/pbi.14604
本文来源：北京大学现代农业研究院
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