近日，中国农业科学院作物科学研究所刘录祥研究员团队在Molecular Plant发表题为“Cloning and functional characterization of Rht8, a “Green Revolution” replacement gene in wheat”的研究论文。该研究通过2个矮秆突变体分别构建遗传分离群体，成功克隆了小麦育种上广泛利用的重要矮秆基因Rht8；利用赤霉素喷施、含量测定以及基因表达等分析，初步揭示了Rht8调控株高的机制。
20世纪60年代和70年代，小麦矮秆基因Rht-B1b和Rht-D1b的利用显著提高了抗倒伏能力和收获指数，从而大幅度提高了粮食产量，引发著名的“绿色革命”。然而，Rht-B1b和Rht-D1b为赤霉素不敏感型，造成胚芽鞘变短，影响种子顶土出芽能力和幼苗活力等，限制了其进一步育种利用。小麦赤霉素敏感型矮秆基因Rht8自上世纪30年代由日本赤小麦引入，在欧洲南部和中部地区被广泛利用。携带Rht8矮秆基因的小麦苗期胚芽鞘较长且生长活力较高，适用于高温干燥环境生长，有效弥补了绿色革命矮秆基因源的不足。尽管国际上已有关于Rht8基因定位的报道，但由于小麦基因组的复杂性，Rht8基因的克隆一直是个难题。
该团队通过千粒重、穗粒数等产量相关指标鉴定，从小麦突变体库中筛选到2个优异矮秆突变体Rht8-2和Rht8-3（图1A-C）。通过与野生型杂交，分别构建了2个较大的遗传分离群体，将Rht8基因分别定位在2D染色体约700kb和170kb物理区间内。该区段在当时的中国春参考基因组存在较大的未知序列区，进一步通过三代测序组装野生型京411，发现编码含有RNase H结构域的基因，形成一个具有功能型和另一个突变型的2个串联拷贝，位于该定位区段（图1D）。但最新的Fielder参考基因组显示该基因为3个串联拷贝，所以具体的拷贝数有待于进一步实验验证。基因克隆和测序分析发现该基因在两个突变体中分别产生移码和提前终止突变，最终导致蛋白编码不完整（图1E）。
图1、小麦Rht8矮秆基因的图位克隆。
基因编辑敲除该候选基因发现编辑后的植株株高显著降低（图2A）；对Rht8来源的日本赤小麦品种进行测序分析，发现Rht8-2的突变位点与赤小麦中一致，同时赤小麦与Rht8-2突变体在其它位点还存在差异，综合表明Rht8-2突变位点正好为Rht8基因自然变异产生的矮秆位点。不同组织基因表达分析表明Rht8基因主要在茎秆的节中表达，并且在Rht8-2突变体中表达显著降低（图2B）。小麦原生质体亚细胞定位分析发现野生型Rht8蛋白定位在细胞核中（图2C），暗示具有转录调控的作用。赤霉素喷施、含量测定及表达分析表明，Rht8通过调节赤霉素合成相关基因GA13ox和GA20ox-2等基因表达，降低活性赤霉素GA3的含量，同时增加GA4的含量，从而降低株高（图2D-F）。近等基因系分析发现Rht8显著降低株高的同时对千粒重以及穗粒数没有影响（图2G-I）。同时，研究还揭示了Rht8在中国小麦品种尤其是黄淮麦区品种中的分布频率较高，并且Rht8矮秆基因型进化于小麦六倍体化之后。
图2、Rht8调控株高的机制解析及近等基因系分析。
Rht8基因的克隆对于小麦矮化育种以及培育适宜株高的小麦新品种具有重要的意义。开发的基因功能性分子标记可实现Rht8基因的育种精准利用，同时加速小麦株高改良的育种进程。此外，本研究也为小麦株高调控的机制研究提供了重要理论参考。
在本团队独立开展Rht8基因克隆的同时，中国农业大学倪中福教授团队利用自然变异材料也得到了与本研究相似的结论。研究成果以背靠背形式同期发表在Molecular Plant杂志。
作科所熊宏春副研究员、在读博士生周春云和在读硕士生付美玉为该论文的共同第一作者，作科所刘录祥研究员为该论文的通讯作者。作科所王轲副研究员和西北农林科技大学李学军教授参与了部分研究工作。本研究得到国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目和中国农科院科技创新工程等项目的资助。
原文链接:
https://www.cell.com/molecular-plant/fulltext/S1674-2052(22)00014-4
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