2022年8月日，西北农林科技大学24 汪勇课题组在国际著名学术期刊课题组在国际著名学术期刊Plant Physiology上在线发表了题为“ECERIFERUM1-6Ais required for the synthesis of cuticular wax alkanes and promotes drought tolerance in wheat”的研究论文。该研究揭示TaCER1-6A通过参与小麦叶片表皮蜡质烷烃的生物合成进而增强小麦的抗旱性。

植物表皮蜡质（Cuticular wax）是一类疏水性有机混合物的总称，主要由脂肪酸、脂肪醇、烷烃、醛、酮、酯等组成，其覆盖在陆生植物地上部分器官的表面，构成了一道天然疏水屏障。植物表皮蜡质最基本功能是限制非气孔性水分散失，能够降低植物表面水分蒸发，使植物具有抗旱保水的功效。同时，植物表皮蜡质还能降低紫外辐射损伤、维持植物表面清洁与表面防水、保护植物避免被病菌侵害、防止昆虫蚕食、阻止器官生殖后融合等功能。在不同的组织和器官中，烷烃是植物表皮蜡质的一类重要化合物。小麦是世界上栽培面积最大、产量最高的粮食作物之一，也是公认的抗旱性较强的粮食作物，其植株表面覆盖着丰富的蜡质层，其组分主要包括：脂肪醇、烷烃和二酮。小麦表皮蜡质的合成分为两条通路：脂肪醇合成通路和烷烃合成通路。我们课题组前期已揭示小麦表皮蜡质脂肪醇的合成过程，但关于小麦蜡质烷烃的合成机理尚不清楚。

本研究从小麦叶片中鉴定到一个关键的表皮蜡质烷烃生物合成基因TaCER1-6A。研究人员成功利用CRISPR/Cas9介导的基因编辑和过量表达对TaCER1-6A的功能进行验证（图1）。转基因小麦株系叶片表皮蜡质测定表明：TaCER1-6A特异地参与小麦叶表蜡质C27–C33烷烃的生物合成（图2）。

图1 CRISPR/Cas9介导编辑小麦TaCER1-6A基因

图2 野生型、编辑系和过量表达系叶片蜡质含量测定

TaCER1-6A在小麦12个检测的组织中均有表达，在旗叶和幼苗叶片中高量表达，这与其调控叶片蜡质烷烃的功能相符。TaCER1-6A蛋白定位于内质网（ER），进一步暗示参与小麦蜡质烷烃的生物合成（图3）。

图3 TaCER1s的表达模式和亚细胞定位

为了探究TaCER1-6A的表达是否受非生物胁迫的影响，我们检测了TaCER1-6A在5种非生物胁迫处理下的表达变化。结果显示：非生物胁迫和脱落酸（ABA）处理均可诱导TaCER1-6A的表达，特别是在ABA处理2h后TaCER1-6A的表达量已提升至未处理的两倍（图4A）。同时，干旱胁迫和盐处理又显著提高小麦苗期幼叶和花期旗叶各蜡质组分的含量和总蜡质含量（图4B和4C）。综上所述，非生物胁迫诱导了TaCER1-6A的表达进而促进了小麦叶表蜡质烷烃的积累。

图4 TaCER1-6A在非生物胁迫处理下的表达和蜡质含量变化

前人的研究表明，蜡质烷烃的含量与植物的抗旱性紧密相关。为了探究TaCER1-6A对小麦抗旱性的影响，我们分别测定了野生型（WT）、TaCER1-6A敲除株系（KO#16）和TaCER1-6A过表达株系（OE#10）的旗叶叶片叶绿素渗透率和离体叶片失水率，结果表明：基因编辑株系叶片的叶绿素渗透率和离体叶片失水率均高于野生型，而过量表达株系的叶绿素渗透率和失水率低于野生型（图5A和5B）。转基因系的干旱处理显示：在干旱胁迫处理15天后，过量表达株系表现更加耐旱（图5C），这些结果说明：TaCER1-6A的过量表达会显著降低小麦的角质层渗透性和增强抗旱性。

图5 野生型（WT）、敲除系（KO#16）和过表达系（OE#10）的角质层渗透性和耐旱性测定

最后我们从小麦中基因组数据库中查找并分离出了两个R2R3类MYB转录因子(TaMYB96-2D和TaMYB96-5D)，双荧光素酶结果证明：TaMYB96-2D/5D能够结合到小麦蜡质合成基因TaCER1-6A、TaFAR4和TaCER1-1A的启动子区（图6A）。酵母单杂实验进一步表明：TaMYB96-2D/5D与蜡质合成基因的启动子区的结合位点为“CAACCA”（图6B）。GUS活性检测暗示：TaMYB96-2D/5D与TaCER1-6A启动子区存在互作（图6C-6E）。总之，我们研究结果表明TaMYB96-2D/5D具有直接调控蜡质合成基因表达的功能。

图6 TaMYB96-2D/5D与TaCER1-6A启动子区的互作分析

综上所述，TaCER1-6A特异地催化小麦叶片蜡质C27–C33烷烃的生物合成，并能增强小麦的抗旱性（图7）。由于TaCER1-6A转基因系并不影响小麦的株型等性状，暗示TaCER1-6A在小麦分子育种改良中选育高烷烃含量的小麦抗旱新品种起着重要的生产意义。

图7 TaCER1-6A催化C27–C33烷烃合成的模式图

西北农林科技大学农学院小麦逆境分子生物学团队的汪勇副教授为论文通讯作者，硕士研究生贺佳佳、本科生李翀照和硕士研究生呼宁为论文共同第一作者。西北农林科技大学农学院王中华教授和加拿大不列颠哥伦比亚大学（UBC）的孙瑜琳博士也参与该研究。西北农林科技大学旱区作物逆境生物学国家重点实验室的黄雪玲博士在小麦的遗传转化过程中提供重要帮助。该研究得到中国博士后科学基金特别资助和陕西省自然科学基金重点项目的支持。

论文链接：

https://academic.oup.com/plphys/advance-article/doi/10.1093/plphys/kiac394/6674518

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