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近日，中國農業大學爱游戏官网app小麥研究中心在Plant Biotechnology Journal在線發表了題爲 “Histone acetyltransferase TaHAG1 interacts with TaNACL to promote heat stress tolerance in wheat” 的論文，該研究解析了小麥組蛋白乙酰轉移酶TaHAG1通過與TaNACL轉錄因子互作共同調控小麥耐熱性的分子機制，爲小麥耐熱性遺傳改良提供了重要的基因資源。

全球氣候變暖所導致的高溫脅迫已經成爲制約作物產量的重要逆境之一，嚴重威脅糧食安全。小麥是世界三大糧食作物之一，作爲喜涼作物，其生長髮育極易受到高溫脅迫影響，尤其在開花和灌漿階段的熱脅迫會對最終產量造成嚴重影響。解析小麥耐熱性的分子機制，提高小麥對高溫脅迫的耐受性已成爲當前植物生物學和作物遺傳育種研究的重要目標之一。

TaHAG1基因編碼一個定位於細胞核的組蛋白乙酰轉移酶（Zheng et al., 2021）。在後續研究中發現其受高溫誘導上調錶達，爲了分析TaHAG1在熱脅迫中的功能，作者獲得了TaHAG1過表達和RNAi以及Crispr基因敲除株系並進行了耐熱性鑑定。在苗期正常條件下， TaHAG1不同轉基因株系表現出與野生型Fielder相似的表型；在高溫脅迫下，與Fielder相比，TaHAG1超表達株系耐熱性顯著提升，而RNAi和CRISPR敲除株系耐熱性顯著降低。

作者在田間條件下進一步鑑定了TaHAG1不同轉基因株系在小麥灌漿期的耐熱性表現。在小麥開花後第10天通過搭建大棚對TaHAG1不同轉基因株系及野生型Fielder進行高溫脅迫，田間未被大棚覆蓋的株系作爲對照。在高溫脅迫條件下，與Fielder相比，TaHAG1過表達株系顯示出更好的高溫適應性，表現爲千粒重和粒寬顯著提高。相比之下，RNAi和敲除株系則表現爲千粒重嚴重下降，產量降低。值得注意的是，在田間對照條件下TaHAG1超表達株系和野生型之間農藝性狀並沒有明顯差異，表明TaHAG1在提高小麥耐熱性的同時對其他農藝性狀沒有明顯的負效應。

爲了進一步探究TaHAG1調控耐熱性的分子機制，作者對熱脅迫處理前後野生型和TaHAG1-OE株系進行了RNA-Seq分析，從中鑑定出663個基因爲受TaHAG1影響的熱脅迫響應候選基因。這些基因中涉及質膜和類囊體細胞組分被顯著富集，預示着TaHAG1-OE可能通過影響的膜和光合系統穩定性參與耐熱性調控，這與熱脅迫下TaHAG1-OE株系較低的離子滲透率和較高的葉綠素含量等指標相吻合。作者進一步發現與野生型Fielder相比，熱脅迫下參與光合系統穩定性調控的關鍵基因TaG1和TaPSBR1的表達水平在TaHAG1過表達株系中顯著上調，而在RNAi和CRISPR敲除株系中則被抑制；同時也發現，與野生型Fielder相比，熱脅迫條件下TaHAG1過表達株系維持更高的PSII最大光化學量子效率（Fv/Fm），而在RNAi和CRISPR敲除株系中Fv/Fm則被顯著抑制，進一步說明TaHAG1通過影響光合系統穩定性參與小麥耐熱性調控。

圖1 TaHAG1不同轉基因株系耐熱性鑑定

作爲轉錄共激活因子，TaHAG1可能通過與不同轉錄因子互作來參與特定的調控途徑。爲了深入解析TaHAG1參與的小麥耐熱性調控機制，作者通過酵母雙雜交篩選到多個TaHAG1互作蛋白，通過分析這些候選因子在小麥熱脅迫前後的表達模式，發現其中一個具有NAC結構域的轉錄因子基因在熱脅迫後顯著上調，將其命名爲 TaNACL。分析顯示TaNACL定位於細胞核中且具有轉錄激活活性。作者通過熒光素酶互補（LCI）、免疫共沉澱 (Co-IP)和雙分子熒光互補(BiFC)等實驗進一步證實了TaHAG1與TaNACL互作。此外，TaNACL和TaHAG1能夠激活TaG1和TaPSBR1基因啓動子驅動的熒光素酶 (LUC) 報告基因的表達，說明兩者均可以促進TaG1和TaPSBR1基因的轉錄。而且，相比於TaNACL或TaHAG1單獨的激活效應，TaHAG1與TaNACL的共表達可以進一步提升TaG1和TaPSBR1啓動子活性。作者進一步通過融合蛋白TaNACL-GST進行了EMSA分析，發現TaNACL能夠識別並直接結合在TaG1和TaPSBR1啓動子中的CACG基序。基於以上研究，作者提出了組蛋白乙酰轉移酶TaHAG1通過與TaNACL轉錄因子相互作用共同調控TaG1和TaPSBR1的轉錄來增強熱脅迫下小麥光合系統穩定性，進而提升小麥耐熱性的調控通路。該研究提供了一種通過調節表觀遺傳調控因子的表達來改善小麥耐熱性的潛在途徑，並且不會對作物農藝性狀造成明顯的影響，爲小麥耐熱遺傳改良提供了重要基因資源。該研究中鑑定到的涉及耐熱性調控的基因可能對小麥以外的其他作物耐熱性遺傳改良也具有參考價值。

圖2 TaHAG1調控小麥耐熱性的分子機制解析

中國農業大學爱游戏官网app小麥研究中心胡兆榮副教授爲該論文的通訊作者，在讀博士生林靖辰和宋娜博士爲該論文的共同第一作者。小麥研究中心孫其信教授、倪中福教授、彭惠茹教授、姚穎垠教授、辛明明教授、郭偉龍副教授對該工作進行了指導和幫助。特別感謝已經畢業的高玉姣博士和安可心同學提供的TaHAG1基因CRISPR基因編輯材料, 也非常感謝劉德彪等各位同學們的相助。 

該研究得到了國家自然科學基金(32130078，32072001)，分子設計育種前沿科學中心青年科學家項目(2022TC145)和中國農業大學“2115人才培育計劃”的資助。