小麦是世界上最广泛种植的作物，全球年量约为7.5亿吨。麦茎蜂是北美地区主要的小麦害虫之一，其幼虫在茎秆内挖洞并啃食维管束组织和薄壁细胞，切断小麦籽粒的水分和养分供应通道，使小麦千粒重减少。幼虫长大时会向茎秆基部迁移，并啃食秆壁，使得基部节间强度减弱造成倒伏，从而使产量大大降低。实秆小麦是预防麦茎蜂危害的重要材料，具有极小的髓腔,腔中有髓,其机械组织含量显著高于普通小麦，茎秆强度较高，因而可以阻止麦茎蜂幼虫的成长和迁移，减少对茎秆的啃食危害，同时也控制了麦茎蜂的种群数量。实秆小麦是硬粒小麦（Triticum turgidum L. var. durum）和普通小麦（Triticum aestivum L.）的重要农艺性状，但目前只知该性状由染色体3B上的SSt1位点控制，尚不清楚控制这一性状的基因及分子机制。近日，加拿大萨斯喀彻温大学Curtis J. Pozniak团队PNAS上在线发表了题为“Copy number variation of TdDof controls solid-stemmed architecture in wheat”的文章，确定了TdDof是控制小麦茎秆硬度的目标基因，并表明TdDof可能是参与髓腔薄壁细胞程序性死亡（PCD）的关键调控因子。
作者首先以空秆小麦Kofa与实秆小麦W9262-260D3为亲本构建了一个4000株的F2群体。通过精细定位将区间锚定在3B染色体828.5-830.6MB的区间上，该区间注释到Svevo参考基因组中共包含42个基因。为了进一步缩小SSt1的候选区间，作者在实秆小麦CDC Fortitude品系的甲磺酸乙酯突变体库中筛选到一个空秆突变体pithless1，测序发现pithless1在SSt1区域存在一个673.9kb的大片段缺失，该缺失共包含11个基因。这一结果表明空秆表型与这11个基因的缺失相关。并且作者在实秆小麦CDC Fortitude和W9262-260D3均发现在该缺失区间存在一个拷贝数明显增多的34.8kb的区间，进一步分析表明该区间仅包含一个编码Dof锌指蛋白的基因（TdDof）。通过GemCode测序分析表明实秆小麦CDC Fortitude和W9262-260D3中TdDof的所有拷贝均串联排列，而在空杆小麦Kofa和Svevo仅存在一个单拷贝。并且这一结果通过采用CRISPR-Cas9的改进方案对实秆小麦CDC Fortitude进行了靶向测序和组装，得到再次证明。这些结果表明了TdDof最有可能是SSt1区间的侯选基因，
为了确定TdDof基因的功能，作者在小麦品系pithless1和Kronos中构建了TdDof的超表达材料，发现TdDof缺失突变体pithless1和空杆小麦Kronos均恢复了茎秆硬度，成为实秆小麦。作者为了进一步解析茎秆硬度的调控网络，对六个空秆和实秆类型的硬质小麦进行了转录组分析并进行了WGCNA，发现在实秆品种中TdDof基因表达量的增加与细胞壁修饰/降解及PCD的调控路径等多个过程中的基因有关。为进一步了解小麦不同茎秆硬度的发育途径，作者对实秆小麦CDC Fortitude和空秆突变体pithlessless1进行了解剖学观察和组织化学分析，结果显示与实秆品系相比，空杆品系的髓腔薄壁细胞均呈现不规则、破碎、塌陷和细胞壁弯曲的现象，且具有更强的PCD相关信号，这表明TdDof的拷贝数依赖性表达可能直接或间接参与PCD的负调控。
本研究发现了控制小麦茎秆硬度的基因TdDof，并指出小麦实秆表型与TdDof拷贝数增加和表达量增加有关；而且本研究同时也表明TdDof可能是参与髓腔薄壁细胞程序性死亡关键调控因子。
原文链接：https://www.pnas.org/content/early/2020/10/29/2009418117
小麦族多组学网站：http://202.194.139.32
