植株株型是小麦重要农艺性状的综合反映，对群体光合效率和小麦产量有决定性影响，也是小麦改良育种的重要目标性状。分蘖角度是影响植株株型的关键因素之一，合理的分蘖角度是理想株型的主要选择性状之一，获得理想分蘖角度植株对选育高产小麦新品种具有重要意义。然而由于小麦的遗传背景复杂，目前关于小麦分蘖角度相关的基因克隆及分子机制研究仍不清晰。
2022年9月，河南农业大学陈锋研究团队在Plant Biotechnology Journal上发表了题为“A HST1-like gene controlled tiller angle through regulating endogenous auxin in common wheat”的研究论文，该研究通过全基因组关联分析(GWAS)和分离群体分组分析(BSA)，发现了一个控制小麦分蘖角度的重要基因，并解析了其基因单倍型种类及进化方向，阐明了其通过参与生长素信号通路控制小麦植株株型的分子机制，并揭示了其对小麦产量的影响潜力。
研究结果
1.普通小麦中基因的物理定位与鉴定
（1）根据小麦谱系、农艺性状等，选取349份小麦品系，使用660K SNP 芯片检测其基因型，对所得数据进行GWAS分析，发现5A染色体（520-530 Mb)上存在1个与分蘖角度显著相关的基因座。
（2）通过BSA混池分析法，从四倍体小麦EMS突变体文库中选择分蘖角度明显改变的植株与野生型小麦杂交，在F代中，挑选极端株型和亲本株系各10株，进行分组检测。通过660K SNP芯片检测，发现分蘖角度显著关联的位点与GWAS分析结果一致，定位于5A染色体的3.89-Mb区域，基于小麦基因组数据库发现该区域存在43个已注释基因。
（3）通过BSR-seq，进一步发现43个基因中存在11个显著差异表达基因，其中TraesCS5A02G316400有1个SNP位点，可导致在K2588中提前终止翻译，该基因在WheatOmics数据库中，被注释为NAD依赖性脱乙酰酶HST1-like基因，其在水稻、玉米中的同源基因与植株株型有关，从而将其锁定为目标候选基因，命名为。
图1 | 的物理定位与鉴定
2. TaHST1L在小麦中的表达模式分析
（1）在烟草表皮细胞以及小麦原生质体中的亚细胞定位实验发现，在细胞核、细胞质、细胞膜中均有定位；
（2）qRT-PCR发现在小麦全株中具有组织特异性表达，其中在茎节、叶枕中表达量最高，在根部、杆部表达量极低，其他部位表达量居中；说明可能直接影响小麦植株株型的发育和维持。
（3）在小麦3个亚基因组中表达量不同，的表达明显高于和。
3. TaHST1L突变对四倍体小麦分蘖角度的影响
为了进一步阐明对四倍体小麦分蘖角的影响，从EMS诱变的1368株四倍体小麦品种Kronos库中筛选出基因突变株系，选择K2588（aaBB）和K1242（AAbb）作为亲本与野生型杂交，对比分析经过两轮回交后获得的小麦植株的分蘖角度。发现与WT相比，和双突变株系分蘖角度显著变小，且突变株系分蘖角度明显小于突变株系，双突变株系分蘖角度最小，推测在六倍体小麦的三个同源基因中，可能对分蘖角度的调控作用最大。
图2 | 突变对四倍体小麦分蘖角度的影响
4. 转基因小麦分蘖角度的变化
为进一步确认对小麦分蘖角度的影响，选择两个品种小麦LX987（植株结构紧凑）和Fielder（植株结构相对松散），进行过表达和沉默实验，结果进一步证明在调控六倍体小麦分蘖角方面起着关键作用。
图3 | 转基因TaHST1L对小麦分蘖角度的影响
5. 通过与TaIAA17互作影响内源性生长素水平
为阐明调控小麦分蘖角的潜在机制，以全长为诱饵，利用酵母双杂交(Y2H)筛选小麦cDNA文库中互作蛋白，其中候选互作蛋白中的TaIAA17被报道在水稻生长素合成过程中起关键的负调控作用，引起研究者注意。进一步通过Y2H和SFLC验证了两者的相互作用，并通过在烟草叶片中共表达和TaIAA17以及WB检测，发现抑制TaIAA17表达(图4A-C)。且发现TaIAA17-B1提前终止表达的小麦K798分蘖角度显著大于野生型Kronos（图4D-F)。
为进一步分析是否通过影响小麦内源生长素合成通路来调控分蘖角度，对TaHST1L-OE和WT LX987植株的茎基部进行转录组学和代谢组学分析。结果发现143个DEGs中，46个与植物激素信号转导相关，其中26个与IAA合成相关的基因在TaHST1L-OE植株中表达量显著增加，尤其是TaAuxb9，上调表达80.3倍（图4G)。代谢组学也在代谢水平上证明了TaHST1L-OE小麦中，与色氨酸代谢和生长素信号转导相关代谢物显著增加，其中IAA增加3.3倍（图4H）。对过表达和敲除小麦的IAA含量鉴定，也发现TaHST1L-OE植株中IAA含量显著高于野生型植株，而在RNAi植株中是相反趋势（图4I-J)。
图4 | TaHST1L通过参与调控生长素合成影响小麦分蘖角度
6. 启动子中242 bp的InDel影响了TaHST1L-A1的表达水平，改变了植株分蘖角
对243个中国小麦品种测序发现，TaHST1L-A1基因主要存在3种基因单倍型（如图5A），进一步通过表型对比研究、GUS活性检测以及对转基因水稻植株TaHST1L-A1b和TaHST1L-A1b（含自身启动子）的表达量检测发现，启动子上242 bp片段的插入极大地促进了TaHST1L-A1的表达，从而改变了植株的分蘖角度。
图5 | 启动子中242 bp的InDel对植株分蘖角的影响
7. TaHST1L-A1b对小麦产量的潜在影响和进化分析
本研究对TaHST1L-OE和突变株系的小麦产量进行了测量，与WT组对比，发现TaHST1L-OE组小麦产量显著增加，突变株系显著下降（图6A-B)。且发现不同测试环境下，TaHST1L-A1b对小麦分蘖数和产量提升影响高于TaHST1L-A1a。进一步分析不同品种和亚种小麦中TaHST1L-A1等位基因占比，发现TaHST1L-A1b可能来源于野生二粒小麦，并在栽培二粒小麦和小麦中被人工驯化保留下来（图6F)。
图6 | 的物理定位与鉴定
研究结论
本研究通过正向遗传学方法克隆到控制小麦分蘖角度的重要基因，并对其基因功能进行了验证，对其作用机制在转录、蛋白、代谢水平进行了解析，研究同时对该基因单倍型进行了鉴定，并对其遗传演化进程进行了追踪。本研究进一步加深了对小麦株型遗传基础的理解，为小麦株型改良、高产育种，提供了宝贵的基因资源和理论基础。
河南农业大学农学院赵磊副教授、博士生郑跃婷和王盈为论文的共同第一作者，陈锋教授为本文通讯作者，王沙沙、张坤普、张宁和董中东参与了此项工作。本研究得到了国家自然科学基金、河南省重大科技专项、河南省科技攻关等项目的资助。
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