图r-e-z单倍型的克隆及田间增产效应分析

在国家自然科学基金项目（批准号：31991210）等资助下，中国农业大学孙其信团队经过多年探索，鉴定到一个显著提升小麦氮素利用效率和群体产量的关键位点，为高产高效小麦新品种培育提供了重要基因资源和新的育种策略。研究成果以“基于赤霉素与油菜素内酯激素平衡创制高产半矮秆小麦（Reducing brassinosteroid signaling enhances grain yield in semi-dwarf wheat）”为题，于2023年4月26日在线发表于《自然》（Nature）。论文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-023-06023-6。

小麦（Triticum aestivumL.）是世界上种植面积最大的粮食作物，为人类提供21%的食物热量和20%的蛋白质来源。上世纪中叶，以半矮秆为主要特征的小麦绿色革命品种为解决世界粮食问题做出了重要贡献，主要是通过利用矮秆基因Rht-B1b或Rht-D1b调节赤霉素（GA）介导的信号传导途径发挥作用。但是，携带Rht-B1b或Rht-D1b等位变异的矮秆小麦同时存在粒重和氮素利用效率显著降低等不良效应。因此，挖掘和利用新的矮秆基因资源，培育不依赖于Rht1-B1b或Rht1-D1b的半矮秆小麦品种，是进一步提升小麦产量潜力和保障农业绿色可持续发展的重大需求。

基于正向遗传学研究策略，孙其信团队历时十年在小麦4B染色体短臂上鉴定到一个约500 Kb的大片段缺失单倍型变异，含有3个紧密连锁的基因，即Rht-B1/EamA-B/ZnF-B的缺失，命名为r-e-z。与未缺失类型相比，r-e-z缺失单倍型小麦也表现出半矮秆的表型，且茎秆强度、耐密性、收获指数、千粒重和产量等有显著提升，在群体水平下缺失单倍型变异可使小麦增产10%左右。深入研究发现，r-e-z变异单倍型的表型效应与Rht-B1/ ZnF-B的缺失有关，其中ZnF-B编码一个含有RING结构域的E3泛素连接酶，通过26S蛋白酶体途径特异性地介导油菜素内酯（BR）信号的负调控因子TaBKI1在质膜上的降解，揭示了通过敲除ZnF-B抑制BR信号和敲除Rht-B1激活GA信号来协同调控小麦株高和籽粒发育的分子机制。

该项研究鉴定到BR信号转导途径1个新的关键元件ZnF-B，提出了通过双重调控GA和BR信号转导机制来设计新型半矮秆高产小麦品种的育种策略，为低碳绿色农业发展奠定了新的理论基础。