文章标题：Reducing brassinosteroid signalling enhances grain yield in semi-dwarf wheat
发表时间：2023年4月
发表期刊：nature
影响因子：64.8
为了提高产量，研究人员通过改变小麦Rht-B1b或Rht-D1b等位基因降低其高度以获得半矮秆和抗倒伏的绿色革命小麦(Triticum aestivum L.)，但是这些等位基因同时也降低了植株的氮利用效率(Nitrogen Use Efficiency, NUE)和固碳能力，导致其生物量、穗长大小和粒重下降。“绿色革命型”小麦需要高氮肥投入来维持高产量，但是，高氮肥投入对环境和农业可持续性是有害的。因此需要培育出不依赖Rht-B1b和Rht-D1b等位基因的小麦，以获得高产量半矮化的品种。在没有Rht-B1b和Rht-D1b等位基因的情况下，ZnF-B基因（编码E3型连接酶）缺失，植物体对油菜素类固醇(Brassinosteroid, BR)的感知能力减弱，诱导其半矮化性状。ZnF作为BR信号激活因子能促进BR信号抑制因子BRI1激酶抑制剂1(TaBKI1)的蛋白酶体的作用，而ZnF的缺失可以稳定TaBKI1，从而阻断BR信号转导。
研究发现4B染色体上一段500Kb左右的片段缺失会导致3个基因丢失，即Rht-B1、EamA-B和ZnF-B，并将其命名为r-e-z单倍型。为探寻该片段的缺失是否会提高小麦产量，本研究培育了一对近等基因系(near-isogenic lines, NILs)（指一组遗传背景相同或相近，而某个特定性状或其遗传基础有差异的一组品系），分为r-e-z片段缺失的NIL-Heng品系和4B染色体上拥有Rht-B1b、EamA-B、ZnF-B的NIL-Shi品系。研究人员比较了两者在不同氮含量、DELLA和GRF4蛋白含量、空间密度、种植密度条件下的收获指数、粒重和产量、穗长和秆品质；然后通过基因敲除确定r-e-z单倍体中负责株高和千粒重变化的基因，并探索ZnF的作用。
r-e-z单倍型在形成半矮秆方面与携带Rht-B1b、EamA-B和ZnF-B等位基因的基因型表现出相似的效果（图1 a）。而与携带Rht-B1b、EamA-B和ZnF-B基因型相比，r-e-z单倍型与高粒重密切相关，表明r-e-z单倍型在提高半矮秆品种的籽粒产量方面有潜在的应用价值（图1 b-j）。
图1.r-e-z单倍型相比于携带Rht-B1b、EamA-B和ZnF-B等位基因的基因型有更优良的性状
与Rht-B1b系相比，r-e-z单倍型具有相同的半矮化性状，但具有更高的NUE，更紧凑的植株结构，更大的穗状和籽粒结构，更高的籽粒产量和更适合密集种植的群体（图2）。与携带Rht-B1b等位基因的NIL-Shi相比，NIL-Heng中GRF4蛋白积累较高，而DELLA蛋白丰度较低，表明GRF4与DELLA2之间存在拮抗作用。
图2.r-e-z单倍型的缺失提高了绿色革命小麦的植株结构和籽粒产量
由于ZnF调控株高，通过评估编辑后的ZnF突变体的表型变化，进一步探索其生物学功能。从A、B和D亚基因组中敲除所有三个ZnF同源物来生成znf-aabbdd三重突变体。通过转录组学分析和逆转录定量PCR(quantitative reverse transcription PCR, qRT-PCR)分析显示，与野生型Fielder相比，znf-aabbdd中与BR生物合成和信号转导相关基因的转录本发生了显著变化（图3）。
图3.基因编辑突变体与野生型Fielder对照的株高、穗长和籽粒产量比较表明，Rht-B1b和ZnF-B基因对植株的影响相反，两者是决定r-e-z遗传效应的关键基因
随后，研究人员分离了BRI1、BAK1和BKI1蛋白的小麦直系同源物，并研究了它们与ZnF相互作用的机制。结果证实了TaBRI1、TaBKI1和ZnF共同形成了一个动态的BR响应蛋白复合物，其中TaBRI1促进了ZnF-TaBKI1的偶联以响应BR信号传导（图4）。
图4.ZnF是BR信号传导的正调控因子
本研究通过一系列生化研究，证实了ZnF作为E3泛素连接酶和泛素化TaBKI1进行蛋白酶体降解（图5）。
图5.ZnF介导TaBKI1在质膜上的泛素化和降解
为了获得提高粮食产量的半矮化小麦品种，将含有Rht-B1b等位基因的小麦Nongda4803和Erwa进行配对杂交并标记辅助选择策略，成功地选择了4个株高且产量都较为理想的品系（Q69、Q70、Q72和Q84）。r-e-z单倍型渗入品系千粒重、每穗粒数均高于传统的绿色革命小麦，每单位面积的峰值数低于传统的绿色革命小麦，综合粒产量要更高（图6）。
图6.r-e-z单块缺失在高产半矮化小麦育种中的应用
本研究发现了一个由三个基因（Rht-B1、EamA-B和ZnF-B）缺失导致的r-e-z单倍型小麦，它比Rht-B1b系有更优的产量和更高的氮利用率；并揭示了使BR受体完全降解的有效激活BR信号的重要分子机制。
