小麦是全球分布最广泛的粮食作物，全世界有超过1/3的人口以小麦为主食。叶片、穗部和籽粒等形态学性状是决定作物生长、发育和产量的关键因素。小麦形态性状控制基因的研究对于提高产量和环境适应性等至关重要。在拟南芥、水稻、玉米等植物中，已有多个控制形态建成基因被克隆和报道，但由于基因组的复杂性，目前小麦中相关研究依然较少。

近日，北京大学现代农业研究院陈时盛团队在SCIENCE CHINA Life Sciences在线发表了题为“Mutations in wheat TaAPA2 gene result in pleiotropic effects on plant architecture”的论文，揭示了小麦中编码vWA和Vwaint结构域的蛋白TaAPA2突变存在显性负效应，并可能通过质子泵(H⁺-ATPases)调控小麦植株形态建成。

团队前期在小麦宁春4号EMS突变体库中鉴定到18个独立的家系，表现出不同程度叶片和种子短圆、颖壳变短、叶片夹角变小和延迟开花等多种表型变化（图1A）。通过对2个不同作图群体的图位克隆，获得了同一个候选基因TaAPA2（图1B），该基因编码一个具有vWA和Vwaint结构域的特殊蛋白，其点突变引起小麦多种形态性状的改变。除18个宁春4号EMS突变体外，该研究还获得了周麦36和Cadenza的EMS突变系，这些突变系均在该基因外显子上存在点突变并造成类似的表型变化（图1C）。随后，利用CRISPR/Cas9基因编辑技术和转基因实验对TaAPA2进行了进一步功能验证（图1D）。该研究发现突变蛋白与正常蛋白存在竞争性相互作用且存在剂量效应（图1E）。以上结果暗示semi-dominant的EMS和基因编辑突变可能是通过显性负性效应（dominant-negative effects）起作用。

在团队收集的128份普通小麦和158份节节麦材料中，共发现了6种TaAPA2蛋白的单倍型。其中，单倍型H1在普通小麦品种中属于优势类型，而H2在节节麦中属于优势单倍型。TaAPA2主要在穗部和SAM（shoot apical meristem）中高表达，亚细胞定位显示其定位于细胞质和细胞膜。另外，该研究还发现TaAPA2与TaCCDC115（TraesCS2A02G364600）蛋白互作（图1F），且该互作会受到TaCCDC115的互作蛋白V-ATPase亚基TaVHA-c（TraesCS5D02G130000）的干扰，推测TaAPA2、TaCCDC115和V-ATPase复合体之间存在潜在的调节机制。综上所述，该研究克隆了调控小麦植株形态建成的关键基因TaAPA2，为人们了解含有vWA结构域的蛋白在调控小麦植株形态中的功能机制奠定了基础。

北京大学现代农业研究院白升升博士和王桂平博士为本文的共同第一作者，北京大学现代农业研究院陈时盛研究员和王峥副研究员为本文的共同通讯作者，北京大学现代农业研究院的薛彦研究员、赵丽华研究员，美国加州大学戴维斯分校的张朝中博士参与了该项目。该研究得到山东省重点项目ZR202211070163和2023LZGC022等项目的资助。

中国农科院作科所刘录祥研究员团队利用其它背景突变体开展了该基因的研究，论文以“back to back”形式同期发表在 SCIENCE CHINA Life Sciences 杂志。同期，中国科学院遗传与发育生物学研究所刘志勇教授团队在Crop Journal杂志也发表了该基因的研究结果。此外，还有中国科学院遗传与发育生物学研究所童依平教授团队正在JIPB(Chang et al. 2024)杂志返修的研究论文。

图1、小麦TaAPA2基因的克隆、功能验证和机制解析

作者心声

本实验室在获得基因后偶然得知中国科学院遗传与发育生物学研究所刘志勇团队也已获取基因，后续在刘老师牵头下又获知其他2家单位相继克隆到相同的基因，于是四家单位于2024年初在北京进行课题进展交流，约定共同投稿。讨论中，刘志勇团队提出的“显性负效应”及“基因编辑材料中缺失碱基数为3的倍数会导致更严重的表型”的推论，给了我们启发。在此特别感谢刘志勇老师牵头组织本课题的讨论与投稿事宜！

图2、小麦TaAPA2基因突变体表型

研究详情请见原文：

Mutations in wheat TaAPA2 gene result in pleiotropic effects on plant architecture.

原文链接：https://doi.org/10.1007/s11427-024-2620-7