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近日，西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院小麥逆境分子生物學(xué)團(tuán)隊在國際著名學(xué)術(shù)期刊Plant Physiology上在線發(fā)表了題為“ECERIFERUM1-6A is required for the synthesis of cuticular wax alkanes and promotes drought tolerance in wheat”的研究論文。該研究揭示TaCER1-6A通過參與小麥葉片表皮蠟質(zhì)烷烴的生物合成進(jìn)而增強小麥的抗旱性。

圖1 CRISPRCas9介導(dǎo)編輯小麥TaCER1-6A基因

表皮蠟質(zhì)（Cuticular wax）是一類疏水性有機混合物的總稱，主要由脂肪酸、脂肪醇、烷烴、醛、酮、酯等組成，其覆蓋在陸生植物地上部分器官的表面，構(gòu)成了一道天然疏水屏障。植物表皮蠟質(zhì)最基本功能是限制非氣孔性水分散失，能夠降低植物表面水分蒸發(fā)，使植物具有抗旱保水的功效。在不同的組織和器官中，烷烴是植物表皮蠟質(zhì)的一類重要化合物。小麥(Triticumaestivum L.)是世界上栽培面積最大、產(chǎn)量最高的糧食作物之一，也是公認(rèn)的抗旱性較強的糧食作物，其植株表面覆蓋著豐富的蠟質(zhì)層，其組分主要由脂肪醇、烷烴和二酮組成。小麥表皮蠟質(zhì)的合成分為脂肪醇合成通路和烷烴合成通路。該課題組前期已揭示小麥表皮蠟質(zhì)脂肪醇的合成過程，但關(guān)于小麥蠟質(zhì)烷烴的合成機理尚不明確。

本研究從小麥葉片中鑒定到一個關(guān)鍵的表皮蠟質(zhì)烷烴生物合成基因TaCER1-6A。研究人員成功利用CRISPR/Cas9介導(dǎo)的基因編輯和過量表達(dá)對TaCER1-6A的功能進(jìn)行驗證（圖1）。轉(zhuǎn)基因小麥株系葉片表皮蠟質(zhì)測定表明：TaCER1-6A特異地參與小麥葉表蠟質(zhì)C27–C33烷烴的生物合成。TaCER1-6A基因編輯系表現(xiàn)出葉片滲透性增加和抗旱性降低，而TaCER1-6A過量表達(dá)系表現(xiàn)為葉片滲透性降低和抗旱能力增強，暗示TaCER1-6A在增強小麥抗旱性中起著重要的作用。

圖2 TaCER1s的表達(dá)模式和亞細(xì)胞定位

TaCER1-6A在旗葉和幼苗葉片中高量表達(dá)，這與其調(diào)控葉片蠟質(zhì)烷烴的功能相符，同時非生物脅迫和脫落酸（ABA）處理均可誘導(dǎo)TaCER1-6A的表達(dá)，干旱脅迫和鹽處理又顯著提高小麥葉片表皮蠟質(zhì)的含量。TaCER1-6A蛋白定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（ER），這與其參與蠟質(zhì)合成的功能相符（圖2）。

圖3 TaMYB96-2D5D與TaCER1-6A啟動子區(qū)的互作分析

在43份小麥品種（系）中共鑒定出TaCER1-6A的三種單倍型（HapI/II/III）。有趣的是，HapI存在于41份小麥材料中，而HapII和HapII僅存在于一份小麥材料，表明HapI是現(xiàn)代栽培小麥品種中的主要單倍型。與對照相比，干旱和鹽處理導(dǎo)致苗期和開花期葉片中烷烴、脂肪醇、脂肪酸、醛和酯的含量顯著增加，包括具有不同鏈長的大多數(shù)同系物。此外，研究人員還鑒定到2個R2R3-MYB轉(zhuǎn)錄因子TaMYB96-2D/5D。酵母單雜、雙熒光素酶和GUS活性實驗均表明：TaMYB96-2D/5D直接結(jié)合到蠟質(zhì)合成基因TaCER1-6A、TaFAR4和TaCER1-1A啟動子區(qū)調(diào)控其表達(dá)（圖3）。

圖4 TaCER1-6A催化C27–C33烷烴合成的模式圖

綜上所述，TaCER1-6A特異地催化小麥葉片蠟質(zhì)C27–C33烷烴的生物合成，通過提高葉片蠟質(zhì)烷烴的含量進(jìn)而增強小麥的抗旱性（圖4）。由于TaCER1-6A轉(zhuǎn)基因系并不影響小麥的株型等性狀，暗示TaCER1-6A在小麥分子育種改良中選育高烷烴含量的小麥抗旱新品種起著重要的生產(chǎn)意義。

農(nóng)學(xué)院小麥逆境分子生物學(xué)團(tuán)隊的汪勇副教授為論文通訊作者，碩士研究生賀佳佳、本科生李翀照和碩士研究生呼寧為論文共同第一作者。農(nóng)學(xué)院王中華教授和加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)（UBC）的孫瑜琳博士也參與該研究。旱區(qū)作物逆境生物學(xué)國家重點實驗室的黃雪玲博士在小麥的遺傳轉(zhuǎn)化過程中提供重要幫助。該研究得到中國博士后科學(xué)基金特別資助和陜西省自然科學(xué)基金重點項目的支持。