近日，PNAS在线发表了英国约翰英纳斯中心（John Innes Centre）Philippa Borrill团队和澳大利亚联邦科学与工业研究组织（Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization）Wolfgang Spielmey团队合作的题为“An autoactive NB-LRR gene causes Rht13 dwarfism in wheat”的研究论文。该研究揭示了小麦新型矮杆基因Rht-B13的突变位点以及分子机理。该位点编码一个Nuclear-binding site/leucine-rich repeat (NB-LRR)抗性蛋白。自激活的Rht-B13b等位基因导致抗性基因（Pathogenesis-related, PR genes）以及与细胞壁重塑相关的III类过氧化物酶基因的转录上调，进而绕过传统的赤霉酸（gibberellin acid, GA）信号传导路径实现矮化。这一研究为自激活NB-LRR基因应用于包括小麦在内的一系列作物的矮化开辟了道路。
Fig 1. Phenotypic characteristics of Magnif (Rht-B13a) and Magnif M (Rht-B13b).
自绿色革命以来，矮化性状（dwarfism）总是代表着高产、耐肥、抗倒伏等优良特性。传统的小麦矮化基因如Rht-B1b或Rht-D1b，均通过编码GA信号转导的负调节因子导致植株对内源GA脱敏，进而抑制细胞伸长实现矮化。然而GA脱敏在植物发育早期会影响胚芽鞘长度和幼苗叶面积进而导致在缺水环境中不易萌发，且GA脱敏会使植株对赤霉病等病害的抗性下降。因此，在实际育种应用中，使用不破坏GA信号的矮化基因在水资源有限的环境中尤为重要。
表型测定发现，相比于野生型（RhtB-13a），RhtB-13b主要通过减小花梗（peduncle）长度实现矮化。Rht-B13b被定位于染色体7B的长臂（Ellis et al., 2005）。通过对突变体和野生型的SNP分析以及RNA测序，研究者们发现Rht-B13b等位基因源于一个单核苷酸突变位点（G -> A），导致该基因编码的NB-LRR蛋白上RNBS-A motif的单氨基酸突变（S240F）。
Fig. 2. Mapping of the NB-LRR gene Rht-B13.
该突变导致了小麦体内的抗性基因的转录上调，并在本氏烟草（N. benthamiana）中引发了剧烈的超敏反应（hypersensitive response, HR）。结合序列分析，研究者认为该突变和番茄中的I-2抗性蛋白的自激活突变（S233F）是同源的，突变的NB-LRR蛋白无法水解结合在其上的ATP，在无外源病原体效应子的情况下也始终保持在激活状态（Tameling et al., 2006）。
Fig 5. Rht-B13b induces defense gene responses in N. benthamiana and wheat
该突变还导致III类过氧化物酶基因显著上调。III类过氧化物酶参与了广泛的生理代谢过程，包括细胞壁成分的交联、木质素的形成以及活性氧代谢等。研究者们发现包含Rht-B13b突变的植株花梗的过氧化氢含量低于野生型，且其他影响过氧化氢含量的酶家族的表达水平在突变体和野生型之间并没有显著差异。这从另一个方面证明了花梗中III 类过氧化物酶的转录上调。在花梗中积聚的III类过氧化物酶不仅加强了细胞壁的机械性能，导致花梗更加强壮和坚硬，还导致了花梗细胞长度下降了约1/3，这也从细胞层面解释了Rht-B13b实现矮化的原因。
Fig 6. Changes in class III peroxidase gene expression, hydrogen peroxide content, mechanical and cell properties in mutant (Rht-B13b) compared with wild-type (Rht-B13a) peduncles.
综上所述，该研究提出了 Rht-B13b 矮化基因运作的模型。在这个模型中，III类过氧化物酶促进了携带Rht-B13b突变基因植株组织中细胞壁的交联，限制细胞伸长并最终实现了矮化。
约翰英纳斯中心Phillipa Borrill研究员为该论文第一作者和通讯作者。该研究由UK Biotechnology and Biological Science Research Council (BBSRC) 资助。
原文链接：
https://doi.org/10.1073/pnas.2209875119
参考文献
1. M. H. Ellis et al., Molecular mapping of gibberellin-responsive dwarfing genes in bread wheat. Theor. Appl. Genet. 111, 423–430 (2005)
2. W. I. L. Tameling et al., Mutations in the NB-ARC domain of I-2 that impair ATP hydrolysis cause
autoactivation. Plant Physiol. 140, 1233–1245 (2006).
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