TaWAK3-B单碱基突变通过细胞骨架调控面包小麦株高的机制解析

《Plant Biotechnology Journal》：A Single-Base Mutation in TaWAK3-B Reduces Plant Height via Cytoskeleton in Bread Wheat

本研究通过图位克隆鉴定出小麦矮化突变体d14078的因果基因TaWAK3-B，揭示其E938K突变通过削弱与细胞骨架蛋白TaADF3-A、TaKLCR1-A、TaIQD2-D的互作，破坏微丝/微管动态平衡，最终导致植株矮化。该研究为小麦株型改良提供了新靶点，对突破“绿色革命”品种产量瓶颈具有重要意义。

　　

1 引言

面包小麦（Triticum aestivumL.）是全球重要粮食作物，提供人类所需热量的五分之一。20世纪60年代，通过引入矮秆基因（Rht）培育半矮化品种的“绿色革命”，显著提高了小麦产量。目前已有27个Rht基因被报道，其中Rht-B1b和Rht-D1b通过GA信号通路调控株高，但伴随发芽势弱、籽粒变小等不利性状。因此，挖掘新矮秆基因对小麦高产育种至关重要。

2 结果

2.1 矮化突变体d14078的表型特征

通过EMS诱变小麦品种晋麦47获得半矮化突变体d14078。与野生型相比，d14078株高降低44.7%，分蘖数增加51.9%，抽穗期延迟13天，千粒重、粒长和粒宽均显著下降。细胞学分析发现其茎秆纵切面细胞面积和长度减小，表皮细胞排列紊乱。

2.2 矮化基因的图位克隆

利用d14078与京411构建的F₂群体进行BSA分析，将主效QTL QPh.cau-6B定位在6B染色体2.88 Mb区间内。转录组数据结合Sanger测序验证TraesCS6B02G097000为候选基因，命名为TaWAK3-B。该基因第938位氨基酸由谷氨酸（E）突变为赖氨酸（K），导致蛋白稳定性降低。

2.3 TaWAK3-B的功能验证

CRISPR/Cas9敲除TaWAK3-B的小麦株高显著降低，而过表达株系抽穗期提前但株高无变化。免疫荧光显示突变体微丝密度、各向异性降低， skewness升高，表明细胞骨架组装异常。

2.4 转录组分析揭示TaWAK3-B调控网络

RNA-seq发现d14078中4975个差异表达基因，GO富集显示细胞壁合成、微管组织、器官负调控等通路显著上调。RT-qPCR验证TaADF3-A、TaKLCR1-A等细胞骨架相关基因表达异常。

2.5 E938K突变破坏细胞骨架稳态

Co-IP和Pull-down实验证明TaWAK3-B^E938K与TaADF3-A、TaKLCR1-A、TaIQD2-D的互作减弱。细胞游离降解实验表明突变体蛋白更易被26S蛋白酶体降解。

2.6 TaWAK3-B与细胞骨架蛋白的互作

双分子荧光互补（SLC）和亚细胞共定位证实TaWAK3-B通过激酶结构域与TaADF3-A（微丝解聚因子）、TaKLCR1-A（驱动蛋白轻链相关蛋白）、TaIQD2-D（微管结合蛋白）形成复合物。

2.7 TaKLCR1-A调控株高的功能

敲除TaKLCR1-A的小麦出现矮化、籽粒变小等表型，微丝结构参数改变，证明该基因通过细胞骨架参与株高调控。

3 讨论

本研究提出TaWAK3-B通过协调微丝（TaADF3-A）和微管（TaKLCR1-A、TaIQD2-D）动态平衡调控小麦节间细胞伸长。E938K突变削弱蛋白互作与稳定性，导致细胞骨架紊乱，最终引发矮化。该通路不同于传统GA信号途径，为小麦株型改良提供了新策略。