一作解读 | the Plant Journal | 中国农业大学孙其信院士团队在小麦粒重调控方面取得新进展

摘要：近日，中国农业大学农学院小麦研究中心在ThePlantJournal杂志上在线发表了题为“The sucrose transporterTaSWEET11is critical for grain filling and yield potential in

近日，中国农业大学农学院小麦研究中心在ThePlant Journal杂志上在线发表了题为“The sucrose transporterTaSWEET11is critical for grain filling and yield potential in wheat (Triticum aestivumL.)”的论文。该研究发现TaSWEET11通过转运蔗糖来影响淀粉合成，从而调控粒重的分子机制。

小麦籽粒灌浆阶段，由光合器官产生的碳源通过韧皮部长途运输至籽粒，随后在胚乳细胞中用于合成淀粉等贮藏物质。因此，灌浆水平决定了籽粒的饱满度和大小，从而影响小麦的产量。SWEET蛋白是蔗糖等光合“碳源”转运的重要载体，水稻和玉米中核心SWEET蛋白的功能缺失会导致籽粒灌浆缺陷，籽粒产量大幅下降。目前，在小麦中尚缺乏对SWEET蛋白功能的系统研究，关于其在籽粒灌浆过程中的控制作用仍不明确。

为了明确TaSWEET11在小麦灌浆过程中的生物学功能，在小麦转基因受体Fielder的背景下，对TaSWEET11的三个部分同源基因进行了敲除，获得3 个独立的tasweet11-a/b/d突变体。与野生型Fielder相比，三个KO株系的籽粒均明显变小，呈现籽粒皱缩或空果皮表型。成熟籽粒的千粒重显著下降，降幅达到36.7%-79.1%。与粒重降低相对应，在两个年份KO株系的粒长、粒宽和籽粒面积也极显著降低。

图1 TaSWEET11敲除株系小麦籽粒表型分析

为了解析TaSWEET11调控籽粒灌浆的机制，我们对KO株系授粉后5 和10 天的籽粒进行RNA-seq分析。与WT相比，KO株系中与淀粉生物合成、蔗糖代谢、支链淀粉合成、糖原合成和半乳糖代谢等生物过程相关的基因显著下调。进一步测定WT和KO株系授粉后不同发育时期籽粒中的蔗糖、果糖和葡萄糖含量，发现各时期KO株系籽粒中蔗糖含量均极显著降低。电镜分析表明KO株系胚乳中淀粉颗粒明显变小，总淀粉含量极显著下降。综述所述，TaSWEET11在小麦籽粒灌浆过程中参与转移蔗糖为主的可溶性糖，从而控制小麦胚乳中淀粉合成。

图2 WT和KO株系籽粒中糖含量和淀粉粒大小

为了探究TaSWEET11在小麦中的增产潜力，我们在小麦品种CB037背景下，利用组成型启动子(Ubiquitin)对该基因进行了过表达。在单行种植和小区栽培条件下，3 个OE株系籽粒均变小，呈极显著差异。与野生型相比，3 个OE株系的有效分蘖数、穗长、小穗数和穗粒数均显著增加。最终的小区测产结果表明，过表达株系的产量显著提升，增产幅度约为8.80%-14.48%。

图3 CB037和TaSWEET11-OE小麦籽粒和植株表型

在本研究中，我们发现小麦籽粒灌浆过程中，TaSWEET11控制蔗糖向籽粒中转运，正向调控小麦籽粒的灌浆和粒重。通过异位过表达TaSWEET11能够显著增加小麦的穗长、小穗数和穗粒数，从而使小区产量显著提升。这些结果拓宽了我们对小麦中SWEET基因功能的认识，为TaSWEET11的有效利用提供了重要的科学依据。。

中国农业大学农学院小麦研究中心 孙其信院士对该工作给予了悉心指导和大力支持，倪中福教授和张玉峰农艺师为该论文的通讯作者，已毕业博士研究生王明明、博士研究生耿佳为论文的共同第一作者。小麦研究中心的邢界文副教授对本研究提供了指导和帮助。研究生张哲，王文熙，马天，倪培，张子涵，李玄霜也参与了该研究。本研究得到了国家自然科学基金和拼多多-中国农业大学研究基金的支持。

团队介绍：

孙其信院士作为学术带头人的中国农业大学小麦研究中心长期围绕多倍体小麦广适性的遗传基础和分子机制、小麦产量性状形成、小麦品质性状遗传调控等一系列重要科学问题开展系统深入的研究。团队获得国家科技进步二等奖1 项，国家技术发明二等奖1 项，教育部高校科研优秀成果技术发明奖一等奖1 项，中华农业科技奖优秀创新团队奖1 项；近5 年在小麦研究方向发表Nature、Nature Plants、Nature Communications、Science Advance、The Plant Cell、Molecular Plant等高水平研究论文90 余篇。