项目文章丨NC：一个驯化基因如何同时调控株型与氮代谢？

谷子（Setaria italica）作为一种营养丰富的 C4 谷类作物，是中国、印度及撒哈拉以南非洲干旱半干旱地区数百万人的主食。其籽粒可煮粥、蒸饭或磨粉制作传统面食，出色的耐旱性和低养分需求使其成为应对气候变化下粮食安全的战略作物。同时，作为C4禾本科模式植物，谷子及其野生祖先种狗尾草（Setaria viridis）为研究碳同化、生物量积累和胁迫适应提供了宝贵模型。然而，谷子的产量长期落后于水稻、小麦等主要粮食作物，中国平均亩产仅约2.5–3.5吨/公顷。

谷子产量受限的核心瓶颈在于株型欠佳——大多数栽培品种植株高大、叶片下垂、易倒伏，限制了种植密度和单位面积穗数。20世纪"绿色革命"通过调控赤霉素（GA）通路实现半矮化育种，在水稻和小麦中取得了巨大成功，但高产品种往往伴随氮利用效率下降的问题。如何在改良株型的同时协同提升氮素利用效率，成为谷子育种亟待突破的关键问题。

因此寻找能够同时协调植物株型与氮代谢的遗传枢纽，成为科学家们探索的方向。

（1）谷子gap-free T2T基因组的组装与注释

大多数栽培谷子品种（如广泛种植的JG21）植株高大、单秆为主，单位面积穗数少，限制了产量潜力。与之相比，矮秆多蘖品种 Dungu 展现出 34.2% 的单株产量提升和优异的抗倒伏性。为解析这些优良性状的遗传基础，研究团队组装了 Dungu 的T2T基因组。

研究团队利用PacBio HiFi数据（31.8 Gb）、ONT超长读长数据（74.5 Gb）、Hi-C数据（190.6 Gb）及短读长数据（56.7 Gb）进行组装与挂载，最终获得了墩谷的0 gap T2T基因组。基因组总长424.5 Mb，包含9条染色体，contig N50达49.54 Mb，BUSCO完整度100%，QV值57.13，注释了42,989个高置信蛋白编码基因。除rDNA富集的Chr7端粒外，所有染色体端粒均完成组装，并基于着丝粒特异卫星重复序列富集注释了全部 9 个着丝粒。与xiaomi_v1.0基因组的共线性分析揭示了Chr1、Chr7和Chr9上的4个大片段倒位，长读长数据跨所有断点证实了这些是真实的结构变异而非组装错误。

图1 Dungu的gap-free T2T基因组

（2）SiSD1基因的鉴定与功能验证

为了鉴定 Dungu 株型的遗传决定因子，研究团队基于T2T基因组，对 36 个栽培品种和 40 个地方品种进行了全基因组变异鉴定，鉴定到4,751个 Dungu 特异性高频变异作为候选变异。随后，将 Dungu 与高秆单秆品种JG21杂交构建F2群体来解析半矮秆多分蘖表型。F1代株高与分蘖数表现为中间型，F2群体中两个性状共分离且均符合1:2:1分离比（81:141:78），表明半矮秆和多分蘖性状由单个不完全显性位点控制。

通过BSA-seq混池测序，在5号染色体44.2–47.2 Mb区间检测到显著关联信号（ΔSNP-index > 0.8）。利用T2T基因组开发的标记进行精细定位，将候选区域缩小到 5 号染色体长臂约 40 kb 的范围内。在该区域内鉴定到一个 Dungu 特异的单碱基缺失（G），导致SiDG5G0048970基因的移码突变。该基因编码赤霉素20-氧化酶（GA20ox），系统发育分析证实其为水稻OsSD1的同源基因，因此命名为SiSD1。SiSD1在根、嫩茎和叶鞘中高表达，SiSD1-GFP融合蛋白定位于细胞质和细胞核。

为验证SiSD1的功能，研究团队将sisd1突变等位基因回交导入JG21背景获得近等基因系JG21-sisd1，将SiSD1基因组片段转化JG21-sisd1后株高和分蘖几乎完全恢复，而CRISPR/Cas9敲除SiSD1则导致严重矮化，充分证明该突变是Dungu 优异性状的控制基因。

图2 SiSD1的鉴定与功能验证

（3）SiSD1通过赤霉素生物合成调控植物株型

确认SiSD1是关键基因后，研究团队进一步表征了近等基因系的农艺表现。sisd1近等基因系JG21-sisd1表现出半矮化、多分蘖、穗数增加和籽粒产量提高的优良株型。

为了进一步明确SiSD1的作用，研究团队构建了两个表达水平不同的过表达株系（SiSD1-OE-1 和 SiSD1-OE-2）。与剂量效应一致，表达量更高的 SiSD1-OE-2 表型更夸张 —— 株高增加、节间伸长、穗变长、分蘖减少，这与活性 GA（GA1 和 GA3）水平升高相关。但这种促进生长的效应降低了结实率和有效穗数，导致整体产量下降。

接下来，研究团队评估了JG21和JG21-sisd1 对外源 GA3 和 GA 生物合成抑制剂多效唑（PAC）的响应。GA3 处理增加了两个株系的株高，外源GA3处理可恢复JG21-sisd1的株高至接近野生型水平，而GA合成抑制剂PAC对JG21-sisd1的抑制效应弱于野生型，表明sisd1是GA生物合成缺陷而非信号通路缺陷。在JG21-sisd1中，生物活性赤霉素（GA₁、GA₃、GA₇）含量降低，前体和中间产物（GA₁₉、GA₂₀、GA₅₁、GA₂₄、GA₄₄）积累，SiSLR1蛋白（DELLA蛋白）显著积累，呈现出以SiSD1为中心的反馈调节GA通路特征。综上，这些结果确立了 SiSD1 作为调控谷子株型和产量的关键 GA 生物合成酶。此外，在狗尾草品系（B524/B529）中用PAC化学抑制GA合成，可精确重现sisd1的株型表型，为GA缺乏直接导致株型优化提供了独立的药理学验证。

图3 SiSD1通过赤霉素生物合成调控植物株型

（4）SiSD1协调铵态氮与硝态氮的吸收与同化

前期研究表明水稻SD1参与氮素吸收，研究团队进一步探究SiSD1在谷子中是否具有类似功能。在正常供氮条件下，JG21-sisd1生长正常；但在高铵（NH₄⁺）条件下，JG21-sisd1生长严重受抑甚至死亡，而高硝态氮（NO₃⁻）则可部分恢复其矮化表型，表明SiSD1对NH₄⁺和NO₃⁻利用具有差异性调控作用。

接下来，研究团队测定了 JG21 和 JG21-sisd1 对 NH₄⁺和 NO₃⁻的瞬时吸收速率。与野生型相比，JG21-sisd1的NH₄⁺内流增加而NO₃⁻内流减少。与此一致，JG21-sisd1 在甲胺（NH₄⁺类似物）处理下出现严重叶片黄化，证实其因吸收增强而对铵毒高度敏感。

研究团队进一步通过测定谷氨酰胺合成酶（GS）和硝酸还原酶（NR）的活性，评估了 NO₃⁻和NH₄⁺的同化情况。在低氮和高氮条件下，JG21-sisd1的GS活性均降低，而NR活性升高，表明 SiSD1通过增强GS活性、抑制NR活性来调控氮素同化。

转录分析进一步揭示，JG21-sisd1中铵转运蛋白基因（SiAMT1.1、SiAMT1.2、SiAMT2.1）和硝酸还原酶/亚硝酸还原酶基因（SiNR2、SiNiR1）上调表达，而硝态氮转运蛋白基因（SiNRT1.1、SiNRT2.1）和谷氨酰胺合成酶基因（SiGS1.1、SiGS1.2）下调表达。这些结果支持了一个模型：sisd1 突变体对高铵的高度敏感源于代谢失衡，即 NH₄⁺的过度积累与其同化不足同时存在。值得注意的是，CS19-sisd1近等基因系在铵供应下仍能维持气孔导度和净光合速率，表明SiSD1对氮代谢和光合响应的调控不依赖遗传背景。

图4 SiSD1差异调控铵态氮与硝态氮利用

（5）sisd1优异等位基因提高产量并广泛应用于杂交育种

为了评估sisd1等位基因的产量潜力，研究团队在三种种植密度下种植了JG21和JG21-sisd1。JG21-sisd1在三种种植密度下均显著高于JG21，低密度条件下增幅最大。CS19背景的近等基因系CS19-sisd1也表现出类似的增产效果，证明sisd1是跨遗传背景的增产优势等位基因。

然而，尽管有产量优势， sisd1等位基因在传统种质中却很罕见。对近300份谷子种质的基因型鉴定显示，仅9份常规品种携带纯合sd1/sd1基因型（如BM、BG1、BMN1、Pin141、JXG、KJ），这些矮秆品系产量较高秆对照提高20%–25%，但植株过矮或其他多效性限制了其在常规育种中的推广。

鉴于sisd1的半显性特征，研究团队推测杂合状态可能在杂种中具有育种优势。对18个主要商业系列杂交品种的基因型鉴定显示，16个（约88.8%）携带杂合SiSD1/sisd1基因型。其中，过去20年广泛种植的8个张杂谷系列品种全部为杂合基因型，表明sd1等位基因来源于纯合母本。

为验证杂合优势，研究团队将sisd1导入不育系TA1获得纯合sd1/sd1品系TA1-2，与恢复系JG10杂交获得的F₁杂交种较父本增产30%。JG21与JG21-sisd1杂交的F₁（SD1/sisd1）在同一JG21背景下显著超越双亲。生理分析揭示，杂合F₁的GA含量和SiSLR1蛋白水平介于双亲之间，且表现出独特的氮吸收模式——铵吸收增强至母本水平，硝吸收维持父本水平，同时氮同化基因（SiGS1.1、SiGS1.2）表达甚至超越双亲。这表明SiSD1/sisd1杂合基因型通过建立株型与氮获取的最优平衡实现杂种优势。

图5 sisd1等位基因在常规育种与杂交育种中的高价值应用

（6）SiERF7和ERF073与SiSLR1互作共同调控SiSD1的表达

为解析SiSD1的转录调控机制，研究团队通过酵母单杂交筛选鉴定到两个乙烯响应转录因子——SiERF7（ERF-Ⅷ-A亚家族）和SiERF073（ERF-Ⅶ-A亚家族），二者均为核定位蛋白，在嫩叶鞘中高表达。EMSA实验证实SiERF7和SiERF073特异性结合SiSD1启动子的GCC-box相关基序，双荧光素酶报告基因实验证明二者显著激活SiSD1表达，是其直接转录激活因子。

鉴于DELLA蛋白通常作为转录共抑制因子，研究团队推测SiSLR1可能通过与SiERF7和SiERF073互作来抑制SiSD1转录。酵母双杂交、双分子荧光互补（BiFC）和免疫共沉淀（Co-IP）实验证实SiSLR1与两个SiERF均存在物理互作。EMSA实验显示SiSLR1削弱了SiERF7和SiERF073对SiSD1启动子的结合，转录激活实验进一步证实SiSLR1抑制了SiERF7和SiERF073对SiSD1的转录激活。

为了确认这种抑制的生理相关性，研究团队对 SiSLR1 过表达植株进行了表征。正如预期，SiSLR1-OE 植株表现出严重矮化，这与 GA 生物合成和分解代谢相关基因的下调以及 GA1 和 GA3 含量的显著降低相关。此外，SiERF7、SiERF073 和 SiSLR1 还调控 GA 信号组分（GID1、SLR1）的表达，表明它们在精细调节 GA 生物合成和感知方面发挥更广泛的作用。

图6 SiERF7和SiERF073与SiSLR1互作共调控SiSD1表达

（7）赤霉素生物合成减弱是谷子株型驯化的基础

为探究SiSD1是否在驯化过程中受到选择，研究团队分析了谷子和其野生祖先狗尾草中SiSD1的单倍型。除功能缺失型sisd1等位基因外，还鉴定到第一外显子中的一个关键G→C SNP（c.471），导致非同义E157D氨基酸替换，这是栽培种（SiSD1，E157）与野生种（SvSD1，D157）之间唯一的氨基酸差异。

群体遗传学分析揭示该位点存在强烈的选择性清除信号：E157等位基因在栽培种中近乎固定（298/317），而D157等位基因在野生种中占主导（26/36），群体分化指数极高（FST > 0.6），栽培群体中Tajima's D显著为负。在水稻sd1突变体（9311）背景中过表达SvSD1和SiSD1的比较实验显示，尽管转录水平相当，SvSD1过表达株系的株高显著高于SiSD1过表达株系，分蘖更少，证明SvSD1在体内具有更高的酶活性。狗尾草品系（B522、B524、B529、B535）的生物活性GA（GA₁、GA₇）含量显著高于栽培品种（LG7、LTJ）。

为进一步验证D157E替换的因果效应，研究团队利用RIL246（Q24 × YG1）后代构建了近等基因系。与RIL246-SvSD1相比，RIL246-SiSD1株系株高略降、分蘖略少，但单株籽粒产量显著提高，且内源GA含量（GA₁、GA₃、GA₄、GA₇）显著降低。以上结果证实，SiSD1中的D→E替换降低了GA生物合成，改变了农艺性状，将该位点确立为谷子驯化的关键基因。从进化角度分析，GA促进快速生长和早期繁殖——这是野生环境中的竞争策略；而人类驯化下去除了这种竞争压力，适度的GA活性降低（如栽培种SiSD1等位基因）延长营养生长期、促进粗壮茎秆和大穗形成，从而提高籽粒产量，代表了驯化过程中以产量优先于快速繁殖的权衡策略。

图7 赤霉素生物合成减弱是谷子株型驯化的基础