解密大麦“耐热”基因PPD-H1：提升胁迫抗性与能量代谢，保障高温下穗粒饱满

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全球气温升高对作物生产构成严重威胁，尤其是在作物生殖发育的关键阶段，高温胁迫会导致小穗、小花发育异常，最终显著降低谷物产量。大麦作为重要的温带作物，其产量同样受到高温的严重影响。为了培育耐热作物新品种，深入理解作物响应高温的遗传、分子及代谢机制至关重要。拟南芥中的高温响应机制研究较为深入，涉及PIF4、PhyB、ELF3等关键因子，但谷类作物（如大麦和小麦）对高温的响应模式及分子调控网络与拟南芥存在显著差异。大麦中的光周期响应基因PHOTOPERIOD 1 (PPD-H1)，是拟南芥生物钟基因PSEUDO RESPONSE REGULATOR (PRR)的同源基因，已知其不仅调控大麦对光周期的开花反应，还在高温响应中扮演重要角色。携带不同PPD-H1等位基因的大麦品种在高温下表现出不同的开花时间和育性稳定性，但这背后的分子机制，特别是其是否独立于经典的开花素FT通路，尚不明确。因此，本研究旨在深入解析PPD-H1基因及其与高温互作，调控大麦生长发育、穗发育和育性的分子及生理机制。

德国海因里希·海涅大学杜塞尔多夫分校植物遗传学研究所的Maria von Korff团队在Plant Physiology发表题为“PHOTOPERIOD 1 enhances stress resistance and energy metabolism to promote spike fertility in barley under high ambient temperatures”的论文，揭示了野生型Ppd-H1基因通过增强大麦的胁迫抗性和能量代谢，从而在高温环境下稳定生殖发育、小花育性和籽粒建成。

主要研究结果介绍

实验材料与设计：

研究选取了携带不同PPD-H1等位基因的两对独立的近等基因系（NILs）和一个CRISPR/Cas9诱导的突变体。主要研究对象是春大麦品种Golden Promise (GP)，其携带一个自然突变的ppd-h1等位基因（CCT结构域发生Gly657Trp替换）；以及其对应的近等基因系GP-fast，携带来自冬大麦品种Igri的野生型Ppd-H1等位基因。此外，研究人员在GP-fast背景下，利用CRISPR/Cas9技术构建了一个新的突变体ppd-h1.1，该突变体由于一个碱基插入导致PPD-H1蛋白C端CCT结构域缺失，表型与天然ppd-h1类似，且不影响生物钟基因的昼夜节律表达（补充图S1, S2）。另一对独立的验证材料是春大麦品种Scarlett (ppd-h1)及其近等基因系S42-IL107 (Ppd-H1)。所有材料在长日照（LD, 16h光/8h暗）条件下，分别在对照温度（CT, 20°C/16°C）和高温（HT, 28°C/24°C）下培养。

高温和PPD-H1对大麦生长发育的影响：

表型分析显示，PPD-H1与环境温度显著互作，调控大麦的开花时间。在CT下，携带突变型ppd-h1的GP和ppd-h1.1开花较晚，而携带野生型Ppd-H1的GP-fast开花较早。在HT下，ppd-h1基因型的开花时间进一步推迟了约10天，而Ppd-H1基因型的开花时间则提前了约4天（图1A-B）。通过解剖主茎顶端分生组织（MSA）并根据Waddington分期评估发育进程，发现所有基因型在HT下从营养生长到小穗起始（W2.0）的转变都延迟了。然而，在随后的穗发育阶段（W2.0-W10.0），HT延迟了ppd-h1基因型（GP, ppd-h1.1）的发育进程，却加速了Ppd-H1基因型（GP-fast）的发育进程（图1C）。这表明PPD-H1依赖的高温对花发育的影响是导致开花时间差异的主要原因。此外，HT显著降低了所有基因型的株高（图1F, 补充图S3C），但增加了晚花ppd-h1基因型的分蘖数和穗数（图1D-E, 补充图S3A, B, D）。HT还加速了叶片出现速率（LAR）（补充图S4A），并改变了叶片形态（多数叶片变长变窄，旗叶变短变窄），且这种形态变化在GP (ppd-h1)中更显著（补充图S4B）。叶片解剖分析表明，这可能与HT下细胞尺寸减小和细胞数量增加有关（补充图S4C-E）。同时，HT下ppd-h1基因型的叶片衰老速率更快（补充图S4F）。这些结果表明，HT与PPD-H1互作调控花序发育、开花时间、分蘖数和叶片衰老，而株高、叶片建成速率和叶形变化则似乎不依赖于PPD-H1。

图1

高温和PPD-H1对穗发育和育性的调控：

进入生殖生长后，不定型的穗原基（IM）开始分化产生小穗分生组织（SM）。研究发现，在CT下，晚花的ppd-h1基因型（GP, ppd-h1.1, Scarlett）产生的SM、花分生组织（FM）和小花数量多于早花的Ppd-H1基因型（GP-fast, S42-IL107）（图2A-C, 补充图S5, 表S1）。在HT下，Ppd-H1基因型由于生殖发育加速，SM和FM诱导期缩短，最终的SM、FM和小花数量减少。而在ppd-h1基因型中，虽然HT延长了生殖生长期，但SM、FM和小花数量仍然减少（图2A-C, 补充图S5, 表S1）。这种差异与SM和FM的诱导速率变化有关。HT提高了Ppd-H1基因型的SM诱导速率（GP-fast: 1.3→1.6 SMs/天; S42-IL107: 1.9→2.1 SMs/天），但降低了ppd-h1基因型的SM诱导速率（GP: 1.6→0.8 SMs/天; ppd-h1.1: 1.7→1.3 SMs/天; Scarlett: 1.4→1.1 SMs/天）（图2A, 补充图S5, 表S1）。FM诱导速率也呈现相似的模式。这表明HT与PPD-H1互作影响IM的活性和维持，进而调控SM/FM的诱导速率。 尽管在两种温度下ppd-h1基因型的主穗SM、FM和小花总数通常更多，但在HT条件下，其最终的籽粒数却显著低于Ppd-H1基因型（图2B-D, 补充图S7A-C）。在CT下，Ppd-H1基因型的穗育性（每小花形成的籽粒数）高达90-100%，ppd-h1基因型为70-80%。然而在HT下，Ppd-H1基因型仍能维持约80%的育性，而ppd-h1基因型的育性则骤降至0-20%（图2E, 补充图S7D, 表S1）。HT导致ppd-h1基因型在穗的所有节位都发生严重的小花败育（补充图S7E-F），尤其是在穗基部和穗顶端。观察发现，HT下ppd-h1基因型的花药发育严重受阻，表现为花药小、色白、空瘪（图2F），花粉活力也显著降低，而Ppd-H1基因型的花粉活力则相对稳定（图2F, 补充图S7G-J）。这表明Ppd-H1通过调控花药和花粉发育来维持高温下的育性。此外，HT导致籽粒变长变窄，并降低千粒重，但这与PPD-H1基因型无关（补充图S7K-M）。

图2

PPD-H1介导的高温响应转录组和植物激素变化：

为了揭示PPD-H1调控高温响应的分子机制，研究人员对GP和GP-fast在CT和HT下不同发育时期（W1.0, W2.0, W3.5, W6.0）的叶片和MSA进行了转录组测序，并对ppd-h1.1、Scarlett和S42-IL107的部分样本进行了验证。主成分分析（PCA）显示，温度是叶片转录组差异的主要来源，而发育时期是MSA转录组差异的主要来源（补充图S8）。显著性分析表明，响应HT的差异表达基因（DEGs）数量在ppd-h1基因型（GP）中远多于Ppd-H1基因型（GP-fast），尤其是在较晚的花发育期（W6.0），表明ppd-h1基因型对高温更敏感，稳健性较差（图3B-C, 补充图S9）。 基因本体（GO）富集分析显示，在叶片和MSA中，HT上调的DEGs主要富集在胁迫响应、转录和翻译调控等通路，例如热激蛋白（HSPs）、热激转录因子（HSFs）和活性氧清除剂相关基因被上调。而HT下调的DEGs主要与光合作用（光反应和碳固定）相关（图3D, 补充图S10, 数据集4, 5）。有趣的是，组蛋白变体和染色质重塑相关基因在叶片中被HT上调，但在MSA中被下调（图3D-F）。这些转录变化在ppd-h1突变体中更为剧烈。进一步比较基因型差异发现，无论在CT还是HT下，与Ppd-H1野生型相比，ppd-h1突变体叶片中胁迫响应基因表达上调，而MSA中光合作用和能量代谢相关基因表达下调（图4A-B, 数据集4, 5）。这表明Ppd-H1本身具有抑制胁迫反应、促进能量代谢的功能。

图3

为了验证PPD-H1在胁迫抗性中的作用，研究测量了胁迫相关激素（脱落酸ABA、水杨酸SA）和防御相关化合物（吲哚-3-甲酸I3CA）的含量。结果显示，HT显著提高了GP (ppd-h1)叶片和MSA中的ABA和I3CA含量，但在GP-fast (Ppd-H1)中无显著变化（图4C-D）。SA在GP叶片中被HT诱导，但在GP-fast叶片和所有基因型的MSA中不受影响（图4C-D）。这些结果确证了Ppd-H1在增强胁迫抗性和维持性状稳态（canalisation）中的作用。

图4

能量代谢和花粉发育相关基因是PPD-H1调控高温育性的关键：

研究人员试图寻找与PPD-H1依赖的高温发育模式相关的关键发育调控基因。然而，经典的开花调控基因如FT1（叶片中）、VRN1（叶片中）、FT2（MSA中）以及多个MADS-box基因（MSA中）在所有基因型中均被HT下调，其表达模式无法解释HT对不同PPD-H1基因型造成的相反的开花时间效应（补充图S11）。 对MSA中的DEGs进行加权基因共表达网络分析（WGCNA），鉴定出5个与HT和PPD-H1依赖的发育时间、花序发育和穗育性显著相关的基因模块（C1-C5）（图5A, 补充图S12, 数据集5, 6）。其中，模块C3包含已知的干细胞维持基因（如CEN, ALOG2, WOX同源基因），在发育过程中表达下调，且在ppd-h1中受HT抑制更强（图5A-B, 补充图S13A）。模块C4包含染色质组装、细胞周期和分裂相关基因，与SM诱导速率正相关，在ppd-h1中受HT抑制也更强（图5B, 补充图S13B）。 最为关键的是模块C2，其基因表达模式与PPD-H1依赖的HT下花序发育加速/延迟现象高度相关（图5A-B）。该模块富集了大量参与碳水化合物转运和能量代谢（TCA循环、光合作用、糖酵解、磷酸戊糖途径）的基因。这些基因在HT下，在ppd-h1突变体的MSA中显著下调，但在Ppd-H1野生型中表达上调或保持稳定（补充图S13C）。例如，原叶绿素酸酯氧化还原酶A、光系统I和II反应中心亚基、叶绿素a/b结合蛋白（CAB）、多个SWEET糖转运蛋白和酸性β-呋喃果糖苷酶（将蔗糖水解为葡萄糖和果糖供库器官利用）等基因均表现出这种模式（图5B-C, 补充图S13C）。与在ppd-h1突变体中观察到的花药和花粉发育缺陷一致，模块C2还包含多个花药和花粉发育相关基因，如bHLH89转录因子、3-酮脂酰辅酶A合酶5、磷酸乙醇胺N-甲基转移酶1以及花粉活力调节因子胼胝质合酶5等，这些基因在W6.0时期（花器官成熟期）的ppd-h1突变体MSA中被HT强烈下调，但在野生型中不受影响（图5C, 补充图S13C）。此外，一些可能参与发育启动和花粉发育的HSPs基因也在W6.0时期呈现相似的表达模式（补充图S13C）。同时，模块C2中还有一些激素信号和合成相关基因（如SAUR类生长素响应蛋白、GATA转录因子、YUCCA9同源基因）在HT下于GP中下调，但在GP-fast中不受影响（图5B-C, 补充图S13C）。 进一步检测发育相关激素（生长素IAA、赤霉素GAs、细胞分裂素CKs）在W5.5时期MSA中的含量，发现HT降低了两种基因型的IAA水平，但在GP (ppd-h1)中降低幅度更大（图5D）。同样，主要的赤霉素（GA44, GA20, GA8）含量在HT下的GP中被强烈抑制，而在GP-fast中则与CT水平相当，甚至GA19水平还有所升高（图5E, 补充图S14）。活性细胞分裂素iPR（N6-异戊烯基腺嘌呤）在CT下GP中含量就低于GP-fast，HT处理进一步降低了GP中的iPR含量，但在GP-fast中无显著变化（图5F）。相反，非活性的储存型细胞分裂素cZOG（顺式玉米素-O-葡萄糖苷）在HT下的GP中积累，但在GP-fast中不受影响（图5F）。这些结果表明，HT通过PPD-H1依赖的方式影响碳水化合物代谢、激素信号以及花粉和花药发育。野生型Ppd-H1通过维持能量供应和适宜的激素水平，保障了高温下的正常生殖发育。

图5

全文总结与展望

本研究系统揭示了大麦PHOTOPERIOD 1 (PPD-H1)基因在调控高温适应性中的关键作用。研究证实，PPD-H1的CCT结构域对于其调控长日照和高温下的发育时间至关重要，但并不影响生物钟的正常振荡。与携带常见ppd-h1突变等位基因的大麦相比，携带野生型Ppd-H1等位基因的大麦在高温胁迫下表现出更强的表型和转录组稳健性（环境适应性）。这种稳健性与其在高温下更高的育性和产量潜力直接相关。以往研究认为PPD-H1对非生物胁迫的适应性影响主要通过改变开花时间来适应生长季节，但本研究首次证明PPD-H1在早期发育阶段就直接参与调控胁迫抗性，这体现在其对胁迫相关基因表达和激素（ABA, SA, I3CA）水平的稳定作用上。这与拟南芥中prr突变体表现出更强胁迫耐受性的现象形成对比，表明PPD-H1/PRR基因在不同物种间的功能可能存在分化。 研究进一步发现，PPD-H1对高温下开花时间的调控并非通过经典的开花素FT1或FT2途径，而是与能量代谢密切相关。野生型Ppd-H1能够维持甚至上调发育中花序（MSA）中参与能量代谢（光合作用、TCA循环、糖酵解等）和糖转运的关键基因表达，确保花药和花粉发育的能量供应。同时，Ppd-H1还能维持MSA中生长素、赤霉素和活性细胞分裂素等关键发育激素的稳态。相反，ppd-h1突变体在高温下表现出强烈的胁迫反应，能量代谢通路被抑制，发育激素水平失衡，导致花药败育、花粉失活，最终育性大幅下降。 综上所述，野生型Ppd-H1通过增强胁迫抗性、维持活跃的能量代谢和稳定的激素环境，有效缓解了高温对大麦生殖发育的不利影响，保障了穗的育性。这些发现不仅深化了对作物耐热机制的理解，也凸显了PPD-H1作为改良大麦及可能其他谷类作物耐热性的重要基因资源和育种靶点，对于培育适应未来气候变化的作物品种具有重要意义。未来的研究可进一步探索PPD-H1蛋白直接或间接调控下游能量代谢和激素通路基因的分子机制。

研究团队与资助

该研究由德国海因里希·海涅大学杜塞尔多夫分校植物遗传学研究所（Institute of Plant Genetics, Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf）主导完成。 第一作者：Tianyu Lan¹ 通讯作者：Maria von Korff¹,⁴* (¹Institute of Plant Genetics, Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf; ⁴Cluster of Excellence on Plant Sciences “SMART Plants for Tomorrow's Needs") 该研究得到了德国科学基金会（DFG）的卓越战略项目、中德合作研究项目以及中国国家留学基金委（China Scholarship Council）等的资助。

文章链接

https://academic.oup.com/plphys/advance-article/doi/10.1093/plphys/kiaf118/8096460?login=false

小麦族多组学网站：
http://wheatomics.sdau.edu.cn

投稿、合作等邮箱：shengweima@icloud.com

（转自：小麦研究联盟）