一作解读｜PBJ系统分析和综述细胞分裂素氧化酶——小麦产量改良的遗传靶点
创作者kjasfna2019-12-23 08:49
编者按：我们在本周一的12月17日的推送中，转载了近期烟台大学宋建成教授团队和新西兰坎特伯雷大学的Paula Jameson教授合作发表在Plant biotechnology Journal上的文章“CKX: a genetic target for yield improvement in wheat”（PBJ| 中外2+2合作办学，携手推进细胞分裂素研究进展，提出细胞分裂素脱氢酶CKX成为小麦产量改良的重要遗传目标）。今天，我们非常有幸邀请到烟台大学的陈磊老师给我们带来“一作解读”。
作物产量是粮食安全的重要保障。以半矮秆株型利用为特征的第一次绿色革命，使粮食产量取得重大突破，但同时也显著增加了氮肥的使用量，因为矮秆株型是赤霉素代谢通路基因突变所致，株型矮化的同时其对氮肥响应减弱和利用效率降低。为此，科学家致力于寻找更加高效的增产模式，如中科院遗传所傅向东老师课题组于2018年取得重大突破（Li et al., 2018）。
我们从细胞水平分析入手，寻找新的增产方式。细胞分裂素（cytokinins, CKs）是一类重要的植物激素，其化学本质是腺嘌呤N6位置上的取代衍生物，其能促进细胞分裂与细胞体积增大。细胞分裂素在生物体内的平衡受其合成和降解途径的协同调控，在合成量一定的情况下，降解速度是细胞分裂素含量的重要决定因素。细胞分裂素氧化酶/脱氢酶（Cytokinin dehydrogenase）是细胞分裂素降解途径的限速酶。日本科学家（Ashikari et al., 2005）首次在水稻中发现OsCKX2基因的突变体显著提高了单穗籽粒数目。随后，在水稻、大麦、小麦等作物中相继发现CKX基因家族与产量密切相关（Chen et al., 2019）。
宋建成教授课题组与新西兰坎特伯雷大学Paula Jameson教授课题组长期合作，致力于细胞分裂素与作物产量的相关性研究。前期研究结果表明，植物CKX基因家族各成员具有时空表达特异性，不同家族成员可能在不同器官及不同发育阶段对调控细胞分裂素稳态平衡发挥特定的作用（Song et al., 2012, 2015; Jameson & Song, 2016）。由于细胞分裂素具有促进生殖器官细胞分裂及延缓营养器官衰老等多种功能，了解每个家族成员的时空功能范围对确定既能促进小麦籽粒产量、又可保证灌浆后期叶片养分向籽粒中高效转运的候选基因家族成员至关重要。为了获取小麦CKX基因家族所有成员的突变体，我们创建了济麦22号小麦TILLING突变体库。鉴于在利用传统PCR + CELI酶切方法鉴定CKX突变体的过程中遇到很多困难，于是我们利用全外显子捕获技术展开突变体的基因型鉴定工作。2018年8月小麦全基因组序列的公布，为在全基因组范围内对CKX基因家族进行系统分析提供了数据支撑。中科院遗传所张爱民老师课题组（Shoaib et al., 2019）和波兰Anna Nadolska-Orczyk课题组（Ogonowska et al., 2019）对小麦CKX家族基因进行了系统分析。由于之前全基因组信息的不完整，小麦CKX基因家族的染色体定位和命名尚未完全统一和规范，给研究者带来一定障碍，另外在表达模式的分析上，对高通量RNA-seq数据的挖掘利用还不够充分。
为解决以上问题，近期我们开展了如下工作：
1.基于对小麦CKX基因家族的系统进化分析和染色体定位分析，提出小麦CKX家族基因的规范性分类和命名规则，并对其进化特征进行了讨论。其中，通过与最新释放的2.0版小麦基因组序列的比对，将之前未确定染色体位置的TaCKX11-ChrUn基因精确定位于7D染色体上。这样35个TaCKX基因，除TaCKX2外，都均匀分布于21条染色体上（图1）。从图中可见TaCKX2基因的拷贝数多于其他基因家族成员，可见其在基因组进化过程中经过了一定程度的扩张演化。进一步的系统进化分析发现，TaCKX2又可分为两个进化亚族（图2）。初步的表达分析发现，TaCKX2各亚族基因表达组织部位基本一致，但表达水平存在显著差异（图3）。TaCKX2的这种扩展演化和产量有没有内在联系，需要进一步的深入分析。
图1. TaCKX基因在染色体上的分布
图2. TaCKX2的系统演化
图3. TaCKX2亚家族的基因表达模式
2. 基于已发表的近千份RNA-seq数据对小麦CKX基因家族的表达特征进行了系统分析。发现不同亚族基因之间的表达模式存在显著差异（图4），此表达数据可为小麦产量改良遗传操作提供有用信息。
图4. 35个TaCKX基因的组织表达模式
3. 基于以上结果，结合对CKX基因在水稻、大麦、小麦产量方面的研究进展综述分析，我们提出了以CKX基因家族突变体为遗传操作靶点进行小麦产量改良的工作模型（图5）。经过全外显子捕获测序鉴定基因型的TILLING突变体库，将为这一研究提供宝贵的材料基础。
图5. 利用CKX基因突变体进行小麦产量改良的工作模型
该论文于2019年11月29日在线发表于《Plant Biotechnology Journal》上，并将作为封面文章出版，题为“CKX: a genetic target for yield improvement in wheat”（doi: 10.1111/pbi.13305），烟台大学生命科学学院宋建成教授课题组工作人员陈磊博士为该文第一作者，宋建成教授与Paula Jameson教授为通讯作者。Paula Jameson教授来自新西兰坎特伯雷大学，目前是烟台大学山东省“外专双百计划”团队负责人。该研究得到国家自然科学基金、山东省自然科学基金、山东省外专双百计划项目的资助和小麦研究联盟在表达数据上的支持与帮助。
参考文献：
Ashikari M, Sakakibara H, Lin S, Yamamoto T, Takashi T, Nishimura A, Angeles ER, Qian Q, Kitano H, Matsuoka M. (2005) Cytokinin oxidase regulates rice grain production. Science, New Series 309(5735), 741–745. Chen L, Zhao J, Song JC, Jameson PE. (2019) CKX: a genetic target for yield improvement in wheat. Plant Biotechnol J. doi: 10.1111/pbi.13305.Jameson PE and Song J (2016) Cytokinin: a key driver of seed yield. J Exp Bot.67(3): 593-606Li S, Tian Y, Wu K, Ye Y, Yu J, Zhang J, Liu Q, Hu M, Li H, Tong Y, Harberd NP, Fu X. (2018) Modulating plant growth-metabolism coordination for sustainable agriculture. Nature. 560(7720):595-600.Ogonowska H, Barchacka K, Gasparis S, Jablonski B, Orczyk W, DmochowskaBoguta M and NadolskaOrczykI A. (2019) Specificity of expression of TaCKX family genes in developing plants of wheat and their cooperation within and among organs. PLoS ONE 14, e0214239.Song J, Jiang L and Jameson PE. (2012) Co-ordinate regulation of cytokinin gene family members during flag leaf and reproductive development in wheat. BMC Plant Biol. 12, 78.Song J, Jiang L and Jameson PE (2015) Expression patterns of Brassica napus genes implicate IPT, CKX, sucrose transporter, cell wall invertase and amino acid permease gene family members in leaf, flower, silique and seed development. J Exp Bot, 66(16): 5067-5082.Shoaib M, Yang W, Shan Q, Sajjad M, Zhang A. (2019) Genome-wide identification and expression analysis of new cytokinin metabolic genes in bread wheat (Triticumaestivum L.) PEERJ 7, e6300.
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