小麦是全球主要粮食作物之一,多种植于干旱与半干旱地区,干旱是限制该区域小麦产量的首要非生物胁迫。阐明植株响应干旱胁迫的分子机制,对提升小麦的环境适应性、保障气候变化下的产量稳产至关重要。基因复制事件是植物基因组进化的核心驱动力,也是植物适应环境、调控生长发育的重要遗传基础。麦类作物中高频发生的染色体倒位与易位使其产生了大量多拷贝基因,然而这些重复基因在小麦中的功能研究仍鲜有报道。

近日,中国农业科学院作物科学研究所作物转基因及基因编辑技术与应用团队在JIPB在线发表了题为“TandemlyduplicatedTaERF109genesconferdroughttoleranceandpost-droughtrecoveryinwheat”的研究论文(https://doi.org/10.1111/jipb.70196)。该研究成功解析了小麦串联重复基因TaERF109通过调控MADS-box基因TaMADS56、细胞分裂素合成酶基因TaIPT8以及烟草胺合成酶基因TaNAS增强小麦耐旱性与干旱后快速恢复的分子机制。

研究团队通过对干旱转录组数据分析,在小麦中鉴定到10个串联重复的TaERF109基因,其中7个TaERF109基因的表达水平受干旱胁迫快速上调。过表达TaERF109A2基因可导致小麦抽穗期显著延迟、分蘖数显著增加、株高与根长降低,同时增强了植株耐旱性(图1)。相反,通过基因编辑技术获得的Taerf109s突变体在正常条件下没有明显表型差异,但在干旱胁迫下生长受到显著抑制,产量显著降低。

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1小麦TaERF109A2过表达株系的表型与抗旱性鉴定

功能研究发现,TaERF109A2通过上调TaMADS56的表达水平,调控小麦分蘖数、抽穗期及干旱后快速恢复(图2)。EMSA和LUC等实验证实,TaERF109A2蛋白可直接结合小麦细胞分裂素合成酶基因TaIPT8-5B/5D启动子区的GCC-box基序,正向调控细胞分裂素(CK)的生物合成,进而提高小麦在干旱胁迫下的抗氧化水平。进一步研究发现,过表达TaERF109A2通过上调多个烟草胺合成酶基因NAS的表达促进烟草胺(NA)积累,NA可通过螯合植物体内因胁迫产生的过量铁离子,延缓其引发的毒性损伤,同步增强小麦对铁毒害胁迫与干旱胁迫的耐受性。

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2小麦TaMADS56过表达株系的表型与抗旱性鉴定

该研究揭示了TaERF109基因在协调干旱胁迫响应与植物发育过程中起关键作用(图3),为小麦抗逆分子育种提供了新的基因靶点和理论依据,也为揭示植物串联重复基因介导逆境响应的分子机制奠定了基础。

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3小麦TaERF109调控小麦耐旱性与干旱恢复的分子机制

中国农科院作科所陈隽副研员、硕士毕业生赵尚、硕士研究生李文静、西北农林科技大学博士研究生王春霄为论文共同第一作者,中国农科院作科所马有志研究员为通讯作者。研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、国家科技重大专项等项目的资助。

文章引用：

Chen,J.,Zhao,S.,Li,W.,Wang,C.,Gao,Y.,Yang,Z.,Zhou,Y.,Chen,M.,Xu,Z.,Ma,Y.(2026).TandemlyduplicatedTaERF109genesconferdroughttoleranceandpost-droughtrecoveryinwheat.J.Integr.PlantBiol.https://doi.org/10.1111/jipb.70196