TB1, 作物遗传改良的瑞士军刀
按：Dixon et al. （见延伸阅读）在2020年5月25号出版的Journal of Experimental Botany中报道了TEOSINTE BRANCHED1（TB1）基因的一个新的功能，它在小麦中可以调节株高和茎节间长度。关于TB1，大家应该都比较熟悉，其作为转录因子在很多作物和植物物种中起着调控分枝或分蘖数目的功能。这些结果说明，TB1基因影响了一年生作物从发芽到收获指数的多个农艺性状，为株高这一重要性状的精细调控提供了新的基因资源和途径。
文章来源：Journal of Experimental Botany, Volume 71, Issue 16, 6 August 2020, Pages 4621–4624, https://doi.org/10.1093/jxb/eraa308
作者： Ernesto Igartua，Bruno Contreras-Moreira, Ana M Casas
翻译：小猪佩不齐
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植物株高：现代农业的魂
植物株高，是指从地面到穗尖的距离（以小麦为例），一个看似简单但却对农业具有重大影响的性状。在禾本科（Poaceae）植物中，株高受多个信号途径的影响，主要（但不限于）赤霉素（GAs），油菜素内酯和独角金内酯等激素途径。株高的改变是推动绿色革命的关键。过去的半个多世纪，半矮杆结合大量肥料的施用，培育了大量具有抗倒伏，高收获指数的品种。众所周知，“降低高度”等位基因Rht-B1和Rht-D1是绿色革命故事的主角。这些基因是通过常用的“万金油”（silver bullet）方法获得的，目前看来这些基因对作物增产来说，整体上利大于弊。具体方法是，育种家通过对种质资源进行广泛调查，寻找对株高有较大影响的天然突变植株，然后通过杂交转育的方法转到可以适应不同地区的遗传背景材料中。正如Dixon et al. (2020)的研究中显示的一样，这种方法现在仍然适用，他们报道了TEOSINTE BRANCHED1（TB1）对小麦株高调控的新功能。当然，他们也不是随便瞎猜选择这个基因的（not taking a shot in the dark）。之所以选择TB1作为研究对象是因为它是在玉米中鉴定到的驯化基因，对包括小麦在内的许多物种的株型和育性都有重要影响。研究不同物种间同源的驯化基因的功能看起来确实是一件明智的事情。这些基因并不仅仅是蛋白功能的简单差异，很多情况下还在时空表达上显现出不同的模式(Dong et al., 2019a)。这些驯化基因通常处在基因调控层次的较高等级，因此会影响不同的调控途径，最终形成多姿多彩的表型。可以说， 驯化基因是作物遗传学这棵大树上低垂的累累果实，静待有缘人来采收。
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株高调控基因
能在不影响其他重要农艺性状的前提下，实现小麦株高调控的主效基因并不多。正如Dixon et al. (2020)的文章以及之前一些报道中指出的那样，即使是在小麦育种中已获得广泛应用的那些基因，仍存在这样或那样的小的问题。实际上，Rht-B1和Rht-D1在24°C以上的温度下会使小麦表现出出苗率，生物量和育性降低的现象。正是由于育性的降低，这2个等位基因型在南欧品种中很少见(Würschum et al 2017)。而像Rht18/24这样的其他一些基因，在被鉴定为QTL之前就已在育种中获得了广泛应用(Würschum et al 2017)。上述这些基因以及最近发现的Rht25(Mo et al., 2018)都是在GA信号通路中起作用。 其中，Rht8(Gasperini et al., 2012)基因是个例外，它可以响应油菜素内酯，这为作物灵活地调整株高提供了更多的可供选择靶标基因。
在小麦中克隆新的株高基因，特别是那些功能缺失的等位基因，是极具挑战性的。因为小麦是同源多倍体，基因高度冗余，正向遗传学方法很难直接用于小麦基因功能研究(Adamski et al., 2020)。当然，我们可以利用禾本科植物中影响株高的基因信息，寻找基因的自然变异，基因编辑产生新的等位基因型，或直接通过远缘杂交或转基因方法来利用野生近缘种，大麦或水稻中的功能基因，用于小麦育种。事实上，到目前为止，小麦育种主要利用了GA信号通路，油菜素内酯调控基因的研究主要集中在大麦中(Dockter and Hansson, 2015)，独角金内酯的功能则来自于水稻中相关的研究结果(Liu et al., 2018)。
TB1调控小麦株高功能的发现有效地补充了小麦株高基因库，为全世界的育种者提供了更多的选择。之前，Dixon et al. (2018)发现面包小麦中TB1的一个自然变异与花序结构的改变有关（见图1）。现在，这一研究组又发现TB1还可以调控株高，这一变异不影响胚芽鞘长度，因此也就不会影响小麦的正常出苗。TB1对株高的调控依赖于基因的剂量。他们还发现highly branched (hb)小麦品系，具有分蘖减少并且在花序中形成多个成对小穗的特性。hb是4D染色体的四体株系，包含两个拷贝的TB-D1，在茎中具有更高的TB1表达，这抑制了茎的伸长。TB-D1的作用也通过转基因方法获得了验证。除此之外，通过比较两个自然发生的TB1D的同源基因（TB-B1和TB-A1），作者用令人信服的证据表明，TB-B1也与株高相关。图1显示了小麦TB1基因的天然等位基因，以及其他几个在Ensembl Plants库中被认为有害的TILLING等位基因(Howe et al., 2020)。
图1小麦TB1同源基因的自然和TILLING突变体
TB1: ‘哪哪都有你，a finger in every pie’
让人称奇的是的，许多研究中都发现TB1基因在多个物种中都有新功能。TB1最早是在玉米中被发现的，该基因调控了侧生分枝到顶端优势的转变，使大刍草转变为我们常见的栽培玉米。在拟南芥，大麦，水稻或小麦等物种中也都发现有TB1的直系同源基因，这些基因也都有TB1负调控腋芽的生长和调节花序结构的核心功能(Doebley et al., 1997; Takeda et al., 2003; Aguilar-Martínez et al., 2007; Ramsay et al., 2011)。TB1属于Teosinte branched1/Cycloidea/Proliferating cell factor (TCP) II类基因家族，这是一类与系统发育相关的植物特异性转录因子，它们具有非典型的basic helix–loop–helix motif，即TCP结构域(Nicolas and Cubas, 2016)。II类TCP基因在多个层级被调控，负调控植物的生长和增殖。TB1基因的功能在不同物种中是非常保守的，尽管多拷贝的情况在不同物种中是非常常见的，但有些拷贝可能具有独特的功能（图2）。TB1基因的功能缺失突变一般都与分枝或分蘖增加有关。增加TB1的剂量或过表达都会使植物出现侧枝，分蘖数减少和茎杆长度降低的表型。实际上，小麦中之前已有研究暗示TB1参与株高调控，水稻和玉米中也有其调控株高的报道(Choi et al., 2012;Studer et al., 2017)。
遗憾的是，到现在我们还不清楚TB1及其双子叶植物中同源基因BRC1抑制植物生长的分子机制。TB1-like基因可能参与整合植物激素（独角金内酯，生长素和细胞分裂素）和光刺激信号(Nicolas and Cubas, 2016; Studer et al., 2017，参与植物的避荫性反应(shade avoidance syndrome, SAS)。TB1/BRC1的调节在单双子叶植物之间有相同的地方也存在一定差异(Barbier et al., 2019)。例如，在双子叶植物中，BRC1能够被增加的蔗糖所抑制，而在水稻中，TB1是IPA1靶标，与IPA1一起参与水稻株型的调控。
图2 不同维管植物中TB1基因的数目
作为一个转录因子，TB1在玉米中可以靶向其他驯化基因，包括Teosinte glume architecture1 (tga1)和prol1.1/grassy tillers1 (gt1)以及它自己的启动子。它还参与调节GA，脱落酸和茉莉酸的生物合成和下游信号转导(Dong et al., 2019b)。TB1/BRC1途径尚未在任何物种中得到充分的研究，但Dong et al. (2019a)在综合各种报道后，将TB1定义为一个“大型调控层级中的关键调控因子，它可以靶向调控不同表型的其他驯化基因”（“a master regulator operating in a large regulatory hierarchy that targets other domestication loci, all with wide phenotypic effects”）。这一观点在许多研究中得到了证实，这些研究经常报道TB1及其直向同源基因是多种调控途径的核心整合因子。例如，在拟南芥和小麦中的研究就表明TB1与大家所熟知的FLOWERING LOCUS T1（FT1）直接互作。众所周知，FT1基因整合了多个开花时间途径的信号，调控植物从营养生长向生殖生长的过渡。TB1可以调节腋芽中的FT1的活性以防止过早的成花转换(Niwa et al., 2013)，减少FT1依赖性的小穗分生组织识别基因的激活(Dixon et al., 2018)，这将直接影响小穗的育性，进而调控增产潜力。鉴于TB1的剂量依赖性效应及其参与的多种生理机制，我们可以认为，TB1基因在不同植物物种中的同源基因的数目可以为它们在整个维管植物中功能多样性提供一些提示。图2向我们总结了Ensembl Plants数据库中进化枝上代表性植物TB1同源基因的数量。
展望
未来的研究工作应该放在进一步阐明影响谷物株高的基因之间的相互作用上。研究株高调控网络，阐明他们之间的关系，并指出基因间可能的协同或冗余作用，可以指导育种家在育种过程中对这些基因的应用，甚至找到其他感兴趣的株高调控基因。此外，小麦育种将受益于未来对TB1的多效性，基因型-环境互作（TB1的功能依赖于于温度或水分胁迫？）以及基因型-田间管理互用（例如TB1对广泛应用的生长调节剂的反应）的进一步研究。TB1的动态表达进一步支持了该基因及其同源基因所具有的多重功能。例如，在大麦中没有关于TB1参与株高的报道，但这也不是什么意外的事情，因为TB1在大麦中仅在花序中可以检测到表达(Rapazote-Flores et al., 2019)。此外，小麦茎中也几乎观察不到TB-A1的表达(Dixon et al., 2018)。这些结果表明组织特异性TB1的调控可能将成为谷物育种的一个重要目标。
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