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中国农业大学科研团队在 Nat. Plants (Q1/13.6) 发文!破解小麦耐热性演化与调控新机制

  • 2026-10-17 23:14:14
中国农业大学科研团队在 Nat. Plants (Q1/13.6) 发文!破解小麦耐热性演化与调控新机制
全球变暖持续威胁粮食安全，小麦作为全球主粮，高温胁迫导致的产量损失日益严重。尽管小麦耐热性的遗传基础研究不断推进，但异源六倍体小麦基础耐热性的关键基因与演化机制仍不明确。近日，中国农业大学科研团队在国际植物学顶级期刊 Nature Plants 发表重要研究成果，成功克隆小麦耐热负调控基因TaHST2，揭示其在小麦驯化与多倍化过程中沉默演化的分子机制，为耐热小麦育种提供全新靶点与策略。
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通讯作者及单位与邮箱
Jiewen Xing
State Key Laboratory of High-Efficiency Production of Wheat-Maize Double Cropping, China Agricultural University, Beijing, China
e-mail: jiewen.xing@cau.edu.cn
Zhongfu Ni
State Key Laboratory of High-Efficiency Production of Wheat-Maize Double Cropping, China Agricultural University, Beijing, China
e-mail: nizf@cau.edu.cn
Baoyun Li
State Key Laboratory of High-Efficiency Production of Wheat-Maize Double Cropping, China Agricultural University, Beijing, China
e-mail: baoyunli@cau.edu.cn
核心研究结果
结果 1：小麦耐热基因 TaHST2 的图位克隆与精准定位研究以耐热普通小麦 TAA10 与热敏人工合成六倍体小麦 XX329 为材料，构建分离群体，将控制基础耐热性的主效位点 TaHST2 精细定位在 4D 染色体约 54kb 区间。通过 RACE 技术获得基因全长 CDS，确定候选基因为 LOC123099415，该基因在热敏材料 A8S 中高表达，在耐热材料 K4T 中几乎沉默，明确其与耐热表型紧密关联。
结果 2：TaHST2 的分子特征与演化轨迹解析TaHST2 编码区在耐热与热敏材料中无差异，非编码区存在显著序列变异，包括上游多聚结构、下游 SNP 及第四、第五内含子的重复序列差异。演化分析显示，TaHST2 是小麦 D 基因组谱系进化产生的新基因，A、B 亚基因组同源序列多为假基因，该基因在小麦六倍体化过程中被保留。
结果 3：TaHST2 是小麦耐热性的负调控因子功能验证表明，TaHST2 高表达会导致小麦高温下生长受阻、灌浆不良、千粒重显著下降；EMS 诱变突变体与 CRISPR 敲除株系耐热性显著提升，而过表达株系则表现高温敏感，证实 TaHST2 负调控小麦基础耐热性。
结果 4：内含子变异与表观修饰共同调控 TaHST2 转录第四、第五内含子的序列变异是调控 TaHST2 表达的核心元件，二者协同作用决定基因转录水平。耐热单倍型材料中，该位点 H3K27me3 修饰升高、H3ac 修饰降低，第一外显子区域 DNA 甲基化水平上升，共同沉默 TaHST2 表达。
结果 5：TaHST2 沉默是小麦驯化与六倍体化的关键选择事件全球 1082 份小麦品种中，仅 3 份欧洲材料携带热敏单倍型 TaHST2S，其余均为耐热沉默单倍型 TaHST2T；粗山羊草中 TaHST2S 占比达 53.7%，说明小麦驯化中强烈人工选择沉默 TaHST2 以提升耐热性，人工合成六倍体 / 八倍体小麦育种需优先选择 TaHST2T 单倍型。
结果 6：TaHST2 通过去泛素化稳定 TaHSC701/702 负调控耐热TaHST2 定位于内质网，高温下进入胁迫颗粒；该基因编码泛素水解酶，可直接结合并去泛素化稳定热激蛋白 TaHSC701 与 TaHSC702。这两个蛋白是小麦耐热性的负调控因子，通过抑制下游热响应基因表达降低小麦耐热性。
图解说明
图 1：TaHST2 的图位克隆与表达模式展示 TaHST2 定位群体高温表型、54kb 精细定位区间、基因结构注释、转录组与荧光定量 PCR 验证的表达差异，直观呈现基因定位与表达特征。
图 2：TaHST2 的功能验证呈现 EMS 突变体、CRISPR 敲除株及过表达株系在常温与高温下的植株生长、籽粒形态、株高、SPAD 值、粒重等表型，明确基因负调控耐热功能。
图 3：内含子变异与表观修饰调控 TaHST2 转录展示内含子变异载体构建、荧光素酶活性检测、ChIP-qPCR 与 DNA 甲基化分析结果，揭示序列与表观协同调控机制。
图 4：TaHST2 全球单倍型分布分析呈现全球小麦、人工合成六倍体后代、粗山羊草的单倍型频率，以及不同单倍型材料高温下千粒重降幅，证明驯化选择效应。
图 5：TaHST2 互作蛋白与分子机制解析展示基因亚细胞定位、体外去泛素化活性、互作蛋白筛选、蛋白互作验证及 TaHST2 稳定靶蛋白的实验结果。
图 6：TaHSC701/702 功能与工作模型呈现靶基因过表达与突变体表型，构建 TaHST2 通过内含子变异 — 表观修饰 — 靶蛋白稳定调控小麦耐热性的完整分子模型。
研究展望
本研究揭示TaHST2 沉默是小麦驯化提升耐热性的关键遗传事件，阐明 “内含子变异 + 表观修饰” 协同调控基因表达、泛素水解酶稳定负调控蛋白抑制耐热通路的完整机制。研究成果不仅填补了六倍体小麦耐热演化的理论空白，更为人工合成六倍体 / 八倍体小麦的耐热育种提供明确分子靶点与筛选标记。未来可通过基因编辑精准沉默 TaHST2，快速培育耐高温、稳产高产的小麦新品种，助力应对全球气候变暖下的粮食安全挑战。
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