小麦作为重要的口粮作物，其产量的持续提高和稳产对于我国粮食安全具有战略意义。小麦主要种植于干旱和半干旱地区，水资源短缺严重限制了小麦的高效生产。与水资源短缺相对应的问题是利用效率低下，我国小麦的水分利用效率远低于世界先进水平，具有巨大的节水潜力。因此，挖掘和鉴定小麦耐旱性及水分利用效率的控制基因，揭示其分子机理及遗传网络，对于小麦抗旱遗传改良、培育耐旱节水高产新品种具有重要意义。
近日，中国科学院遗传与发育生物学研究所肖军研究组通过全基因组关联分析，鉴定到一个同时与缺水条件下苗期相对根干重和大田成熟期每穗小穗数显著关联的QTL位点，根据表达谱分析锁定转录因子TabHLH27-A1为其候选基因。TabHLH27基因敲除显著降低了小麦苗期的耐旱性和成熟期的小穗数、产量和水分利用效率。TabHLH27在干旱处理后被快速诱导表达，几天后表达量逐渐下降。通过与不同转录因子的互作，TabHLH27在短期缺水时激活TaCBL8-B1和TaCPI2-A1等干旱胁迫响应基因，同时抑制TaSH15-B1和TaWRKY70-B1等根系生长发育基因的表达。TabHLH27可以通过中间因子TaNAC29-A1协调小麦的短期干旱响应和长期生长发育。TabHLH27-A1启动子区的自然变异影响了其对干旱胁迫的转录响应，单倍型TabHLH27-A1Hap-II表现出更强的耐旱性、更大的根系、更高的产量和水分利用效率。TabHLH27-A1在我国不同地域的等位基因频率分布与降雨量显著相关，优异单倍型TabHLH27-A1Hap-II在育种过程中被选择，但在现代品种中的频率仍然较低，具有较大的育种应用潜力。优异单倍型向主栽小麦品种的回交导育表明，TabHLH27-A1Hap-II等位基因渗入提高了小麦的耐旱性、产量和水分利用效率。因此，该研究揭示了TabHLH27调控小麦耐旱性和水分利用效率的分子机制，加深了对小麦干旱胁迫响应机理及抗逆-生长平衡的理解，为小麦耐旱节水高产新品种的培育提供了重要的基因资源和选择靶点。
图：TabHLH27通过抗逆-生长平衡促进小麦耐旱性和水分利用效率的工作模型
该研究以“TabHLH27 orchestrates root growth and drought tolerance to enhance water use efficiency in wheat”为题于2024年5月2日在线发表于Journal of Integrative Plant Biology杂志(DOI:10.1111/jipb.13670)，肖军研究组助理研究员王冬至和张秀秀、硕士生曹原为该论文共同第一作者，遗传发育所研究员肖军、河北师范大学教授刘西岗、王冬至和童依平研究组滕婉副研究员为共同通讯作者，童依平研究员和农业资源中心董宝娣研究员、中国农科院作科所景蕊莲研究员、山东农业大学张宪省教授等为该研究提供了指导和帮助。该研究得到了中国科学院先导A专项、国家重点研发计划、河北省自然科学基金、国家自然科学基金、北京市杰出青年科学基金等项目的资助。
