《aBIOTECH》：FUL1 is a key regulator of grain morphology, stem development and other shoot characteristics in Sorghum bicolor L. Moench
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本研究针对高粱中AP1/FUL-like基因家族功能未知的问题，利用CRISPR/Cas9技术对SbFUL1进行功能解析。研究发现SbFUL1敲除突变体出现开花延迟、花序结构改变、籽粒形态异常等表型，并首次发现该基因突变导致茎秆增粗、机械强度增强的新表型。DAP-seq分析揭示了SbFUL1可能通过调控果胶生物合成及细胞壁重塑通路基因影响茎秆发育。该研究为作物改良提供了新靶点，发表于《aBIOTECH》。
粮食产量是全球农业生产的核心目标，而谷物籽粒的形态和产量构成因素一直是育种家关注的焦点。在众多谷物中，高粱作为一种重要的耐旱作物，其产量潜力与花序结构和开花时间密切相关。然而，与水稻、小麦等作物相比，高粱花器官发育的遗传调控网络研究相对滞后。特别是APETALA1/FRUITFULL (AP1/FUL)基因家族，虽然在拟南芥等模式植物中被证实是花器官发育和开花时间的关键调节因子，但在高粱中的具体功能尚未明确。
随着基因编辑技术的迅猛发展，CRISPR/Cas9为作物功能基因组研究提供了强大工具。尽管高粱在组织培养和遗传转化方面曾被认为是难转化物种，但近年来随着形态发生调节子的应用和高粱特异性启动子的开发，其基因编辑效率已显著提高。在此背景下，研究人员对高粱SbFUL1基因展开了系统性功能研究，旨在揭示该基因在高粱生长发育中的多重作用。
本研究采用了多种关键技术方法：利用CRISPR/Cas9基因编辑技术构建SbFUL1敲除突变体；通过温室和生长箱进行不同光周期条件下的表型鉴定；使用DAP-seq(DNA亲和纯化测序)分析转录因子结合位点；借助材料力学测试仪量化茎秆机械强度；采用组织切片和显微观察分析茎秆解剖结构。
2.1. CRISPR/Cas9编辑的SbFUL1突变体
研究人员针对高粱FUL1同源基因(Sobic.001G086500)设计两个gRNA，通过共轰击法获得转基因植株。分离得到两个纯合突变体：ful1-1携带1个核苷酸缺失，导致提前终止密码子，仅编码8/246个野生型氨基酸；ful1-2为-2nt缺失型，编码67/246个野生型氨基酸。两种突变均导致蛋白质截短，为功能缺失型突变体。
2.2. SbFUL1突变体显示选择性功能保守
突变体表现出显著的开花延迟，在长日照、短日照和自然日照条件下分别延迟约14天、6-8天和7-10天。同时，突变体花序长度增加约20%，但初级分枝密度不变，导致分枝总数增加。值得注意的是，花梗长度减少约50%，表明SbFUL1参与花器官支撑结构的发育调控。
2.3. 对籽粒发育和形态的影响
SbFUL1敲除导致籽粒形态异常，出现皱缩种子比例增加的现象。内部结构分析显示异常籽粒的胚乳发育畸形，玻璃质胚乳减少，粉质胚乳增加。通过源-库关系调控实验发现，减源(去叶)和减库(半穗)处理均不能完全消除籽粒异常表型，表明该表型主要源于基因功能缺失而非单纯的源库关系改变。
2.4. 高粱中FUL1敲除赋予更强茎秆
研究发现SbFUL1敲除导致茎秆直径增加约2倍，机械强度提高近50%，能承受的断裂力从野生型的18N增加至27N。显微结构分析显示突变体维管束面积显著增大，但木质化程度无明显变化，表明茎秆强度增强可能与细胞壁成分改变而非木质素含量相关。
2.5. SbFUL1转录因子结合位点的全基因组鉴定
DAP-seq分析鉴定出540个SbFUL1潜在靶基因，其中355个基因的启动子区域存在结合位点。显著富集的通路包括囊泡运输、翻译延伸因子活性和植物器官发育。特别值得注意的是，多个果胶甲基酯酶(PMEs)和果胶甲基酯酶抑制剂(PMEIs)基因被鉴定为SbFUL1的潜在靶标，为解释茎秆表型提供了分子机制线索。
研究讨论部分强调，本研究不仅证实了SbFUL1在开花时间和花器官发育中的保守功能，还发现了该基因对茎秆发育的新颖调控作用。与传统认知不同，SbFUL1可能通过调控果胶代谢相关基因影响细胞壁特性，进而改变茎秆机械强度。这一发现扩展了我们对MADS-box转录因子功能多样性的认识。
该研究的创新性在于采用了全株水平的表现分析策略，揭示了SbFUL1的多效性功能远超先前预期。研究结果表明，利用花器官发育基因进行作物改良具有巨大潜力，特别是在协调产量与抗倒伏性方面。未来研究应关注环境因素对该基因功能的影响，以及其在不同遗传背景下的表达效应，为高粱分子设计育种提供理论依据。
这项由昆士兰大学研究人员完成的工作，为理解高粱重要农艺性状的遗传基础提供了新视角，展示了整合现代生物技术和传统生理学研究在作物改良中的价值。随着基因编辑技术的不断完善，类似SbFUL1这样的多效性调控基因有望成为未来作物育种的重要靶点。
