大众气温升高对作物坐褥组成严重威胁，尤其是在作物生殖发育的关节阶段，高温防止会导致小穗、小花发育额外，最终显耀斥责谷物产量。大麦手脚伏击的温带作物，其产量同样受到高温的严重影响。为了扶持耐热作物新品种，深刻连络作物反应高温的遗传、分子及代谢机制至关伏击。拟南芥中的高温反应机制商讨较为深刻，波及PIF4、PhyB、ELF3等关节因子，但谷类作物（如大麦和小麦）对高温的反应模式及分子调控网罗与拟南芥存在显耀相反。大麦中的光周期反应基因PHOTOPERIOD1(PPD-H1)，是拟南芥生物钟基因PSEUDORESPONSEREGULATOR(PRR)的同源基因，已知其不仅调控大麦对光周期的着花反应，还在高温反应中饰演伏击扮装。佩戴不同PPD-H1等位基因的大麦品种在高温下施展出不同的着花时刻和育性踏实性，但这背后的分子机制，卓越是其是否清静于经典的着花素FT通路，尚不解确。因此，本商讨旨在深刻浮现PPD-H1基因过火与高温互作，调控大麦滋长发育、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商讨所的MariavonKorff团队在PlantPhysiology发表题为“PHOTOPERIOD1enhancesstressresistanceandenergymetabolismtopromotespikefertilityinbarleyunderhighambienttemperatures”的论文，揭示了野生型Ppd-H1基因通过增巨大麦的防止抗性和能量代谢，从而在高温环境下踏实生殖发育、小花育性和籽粒建成。
主要商讨恶果先容
践诺材料与筹谋：
商讨考取了佩戴不同PPD-H1等位基因的两对清静的近等基因系（NILs）和一个CRISPR/Cas9一样的突变体。主要商讨对象是春大麦品种GoldenPromise(GP)，其佩戴一个自然突变的ppd-h1等位基因（CCT结构域发生Gly657Trp替换）；以过火对应的近等基因系GP-fast，佩戴来自冬大麦品种Igri的野生型Ppd-H1等位基因。此外，商讨东说念主员在GP-fast布景下，欺骗CRISPR/Cas9技艺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卵白C端CCT结构域缺失，表型与自然ppd-h1近似，且不影响生物钟基因的日夜节奏抒发（补充图S1,S2）。另一双清静的考证材料是春大麦品种Scarlett(ppd-h1)过火近等基因系S42-IL107(Ppd-H1)。统统材料在长日照（LD,16h光/8h暗）要求下，分散在对照温度（CT,20°C/16°C）和高温（HT,28°C/24°C）下培养。
高慈祥PPD-H1对大麦滋长发育的影响：
表型分析显现，PPD-H1与环境温度显耀互作，调控大麦的着花时刻。在CT下，佩戴突变型ppd-h1的GP和ppd-h1.1着花较晚，而佩戴野生型Ppd-H1的GP-fast着花较早。在HT下，ppd-h1基因型的着花时刻进一步推迟了约10天，而Ppd-H1基因型的着花时刻则提前了约4天（图1A-B）。通过剖解主茎尖端分生组织（MSA）并凭证Waddington分期评估发育进度，发现统统基因型在HT下从养分滋长到小穗肇端（W2.0）的蜕变齐延长了。但是，在随后的穗发育阶段（W2.0-W10.0），HT延长了ppd-h1基因型（GP,ppd-h1.1）的发育进度，却加快了Ppd-H1基因型（GP-fast）的发育进度（图1C）。这标明PPD-H1依赖的高温对花发育的影响是导致着花时刻相反的主要原因。此外，HT显耀斥责了统统基因型的株高（图1F,补充图S3C），但加多了晚花ppd-h1基因型的分蘖数和穗数（图1D-E,补充图S3A,B,D）。HT还加快了叶片出现速度（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)中更显耀（补充图S4B）。叶片剖解分析标明，这可能与HT下细胞尺寸减小和细胞数目加多关联（补充图S4C-E）。同期，HT下ppd-h1基因型的叶片病弱速度更快（补充图S4F）。这些恶果标明，HT与PPD-H1互作调控花序发育、着花时刻、分蘖数和叶片病弱，而株高、叶片建成速度和叶形变化则似乎不依赖于PPD-H1。
图1
高慈祥PPD-H1对穗发育和育性的调控：
干与生殖滋长后，不定型的穗原基（IM）运行分化产生小穗分生组织（SM）。商讨发现，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）和小花数目多于早花的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快，SM和FM一样期斥责，最终的SM、FM和小花数目减少。而在ppd-h1基因型中，自然HT延长了生殖滋始终，但SM、FM和小花数目仍然减少（图2A-C,补充图S5,表S1）。这种相反与SM和FM的一样速度变化关联。HT提高了Ppd-H1基因型的SM一样速度（GP-fast:1.3→1.6SMs/天;S42-IL107:1.9→2.1SMs/天），但斥责了ppd-h1基因型的SM一样速度（GP:1.6→0.8SMs/天;ppd-h1.1:1.7→1.3SMs/天;Scarlett:1.4→1.1SMs/天）（图2A,补充图S5,表S1）。FM一样速度也呈现相似的模式。这标明HT与PPD-H1互作影响IM的活性和保管，进而调控SM/FM的一样速度。尽管在两种温度下ppd-h1基因型的主穗SM、FM和小花总额不绝更多，但在HT要求下，其最终的籽粒数却显耀低于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%。但是在HT下，Ppd-H1基因型仍能保管约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基因型在穗的统统节位齐发生严重的小花败育（补充图S7E-F），尤其是在穗基部和穗尖端。不雅察发现，HT下ppd-h1基因型的花药发育严重受阻，施展为花药小、色白、空瘪（图2F），花粉活力也显耀斥责，而Ppd-H1基因型的花粉活力则相对踏实（图2F,补充图S7G-J）。这标明Ppd-H1通过调控花药和花粉发育来保管高温下的育性。此外，HT导致籽粒变长变窄，并斥责千粒重，但这与PPD-H1基因型无关（补充图S7K-M）。
图2
PPD-H1介导的高温反应转录组和植物激素变化：
为了揭示PPD-H1调控高温反应的分子机制，商讨东说念主员对GP和GP-fast在CT和HT下不同发育时间（W1.0,W2.0,W3.5,W6.0）的叶片和MSA进行了转录组测序，ag百家乐交流平台并对ppd-h1.1、Scarlett和S42-IL107的部分样本进行了考证。主要素分析（PCA）显现，温度是叶片转录组相反的主要起头，而发育时间是MSA转录组相反的主要起头（补充图S8）。显耀性分析标明，反应HT的相反抒发基因（DEGs）数目在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），标明ppd-h1基因型对高温更明锐，庄重性较差（图3B-C,补充图S9）。基因内容（GO）富集分析显现，在叶片和MSA中，HT上调的DEGs主要富集在防止反应、转录和翻译调控等通路，举例热激卵白（HSPs）、热激转录因子（HSFs）和活性氧断根剂相干基因被上调。而HT下调的DEGs主要与光合营用（光反应和碳固定）相干（图3D,补充图S10,数据集4,5）。真理的是，组卵白变体和染色质重塑相干基因在叶片中被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。进一步比较基因型相反发现，无论在CT已经HT下，与Ppd-H1野生型比较，ppd-h1突变体叶片中防止反应基因抒发上调，而MSA中光合营用和能量代谢相干基因抒发下调（图4A-B,数据集4,5）。这标明Ppd-H1自己具有扼制防止反应、促进能量代谢的功能。
图3
为了考证PPD-H1在防止抗性中的作用，商讨测量了防止相干激素（零碎酸ABA、水杨酸SA）和防护相干化合物（吲哚-3-甲酸I3CA）的含量。恶果显现，HT显耀提高了GP(ppd-h1)叶片和MSA中的ABA和I3CA含量，但在GP-fast(Ppd-H1)中无显耀变化（图4C-D）。SA在GP叶片中被HT一样，但在GP-fast叶片和统统基因型的MSA中不受影响（图4C-D）。这些恶果确证了Ppd-H1在增强防止抗性和保管性状稳态（canalisation）中的作用。
图4
能量代谢和花粉发育相干基因是PPD-H1调控高温育性的关节：
商讨东说念主员试图寻找与PPD-H1依赖的高温发育模式相干的关节发育调控基因。但是，经典的着花调控基因如FT1（叶片中）、VRN1（叶片中）、FT2（MSA中）以及多个MADS-box基因（MSA中）在统统基因型中均被HT下调，其抒发模式无法解释HT对不同PPD-H1基因型变成的相背的着花时刻效应（补充图S11）。对MSA中的DEGs进行加权基因共抒发网罗分析（WGCNA），草率出5个与HT和PPD-H1依赖的发育时刻、花序发育和穗育性显耀相干的基因模块（C1-C5）（图5A,补充图S12,数据集5,6）。其中，模块C3包含已知的干细胞保管基因（如CEN,ALOG2,WOX同源基因），在发育经由中抒发下调，且在ppd-h1中受HT扼制更强（图5A-B,补充图S13A）。模块C4包含染色质拼装、细胞周期和分裂相干基因，与SM一样速度正相干，在ppd-h1中受HT扼制也更强（图5B,补充图S13B）。最为关节的是模块C2，其基因抒发模式与PPD-H1依赖的HT下花序发育加快/延长征象高度相干（图5A-B）。该模块富集了大批参与碳水化合物转运和能量代谢（TCA轮回、光合营用、糖酵解、磷酸戊糖道路）的基因。这些基因在HT下，在ppd-h1突变体的MSA中显耀下调，但在Ppd-H1野生型中抒发上调或保执踏实（补充图S13C）。举例，原叶绿素酸酯氧化归附酶A、光系统I和II反应中心亚基、叶绿素a/b连合卵白（CAB）、多个SWEET糖转运卵白和酸性β-呋喃果糖苷酶（将蔗糖水解为葡萄糖和果糖供库器官欺骗）等基因均施展出这种模式（图5B-C,补充图S13C）。与在ppd-h1突变体中不雅察到的花药和花粉发育颓势一致，模块C2还包含多个花药和花粉发育相干基因，如bHLH89转录因子、3-酮脂酰辅酶A合酶5、磷酸酒精胺N-甲基蜕变酶1以及花粉活力逶迤因子胼胝质合酶5等，这些基因在W6.0时间（花器官熟练期）的ppd-h1突变体MSA中被HT好坏下调，但在朝生型中不受影响（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时间呈现相似的抒发模式（补充图S13C）。同期，模块C2中还有一些激素信号和合成相干基因（如SAUR类滋长素反应卵白、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）。进一步检测发育相干激素（滋长素IAA、赤霉素GAs、细胞分裂素CKs）在W5.5时间MSA中的含量，发现HT斥责了两种基因型的IAA水平，但在GP(ppd-h1)中斥责幅度更大（图5D）。同样，主要的赤霉素（GA44,GA20,GA8）含量在HT下的GP中被好坏扼制，而在GP-fast中则与CT水平十分，以致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贬责进一步斥责了GP中的iPR含量，但在GP-fast中无显耀变化（图5F）。相背，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中集合，但在GP-fast中不受影响（图5F）。这些恶果标明，HT通过PPD-H1依赖的形貌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通过保管能量供应和合适的激素水平，保险了高温下的浮浅生殖发育。
图5
全文回来与瞻望
本商讨系统揭示了大麦PHOTOPERIOD1(PPD-H1)基因在调控高温稳妥性中的关节作用。商讨阐述，PPD-H1的CCT结构域关于其调控长日照和高温下的发育时刻至关伏击，但并不影响生物钟的浮浅回荡。与佩戴常见ppd-h1突变等位基因的大麦比较，佩戴野生型Ppd-H1等位基因的大麦在高温防止下施展出更强的表型和转录组庄重性（环境稳妥性）。这种庄重性与其在高温下更高的育性和产量后劲径直相干。以往商讨以为PPD-H1对非生物防止的稳妥性影响主要通过改变着花时刻来稳妥滋长季节，但本商讨初度解释PPD-H1在早期发育阶段就径直参与调控防止抗性，这体当今其对防止相干基因抒发和激素（ABA,SA,I3CA）水平的踏实作用上。这与拟南芥中prr突变体施展出更强防止耐受性的征象形成对比，标明PPD-H1/PRR基因在不同物种间的功能可能存在分化。商讨进一步发现，PPD-H1对高温下着花时刻的调控并非通过经典的着花素FT1或FT2道路，而是与能量代谢密切相干。野生型Ppd-H1约略保管以致上调发育中花序（MSA）中参与能量代谢（光合营用、TCA轮回、糖酵解等）和糖转运的关节基因抒发，确保花药和花粉发育的能量供应。同期，Ppd-H1还能保管MSA中滋长素、赤霉素和活性细胞分裂素等关节发育激素的稳态。相背，ppd-h1突变体在高温下施展出好坏的防止反应，能量代谢通路被扼制，发育激素水平失衡，导致花药败育、花粉失活，最终育性大幅下落。要而论之，野生型Ppd-H1通过增强防止抗性、保管活跃的能量代谢和踏实的激素环境，灵验缓解了高温对大麦生殖发育的不利影响，保险了穗的育性。这些发现不仅深化了对作物耐热机制的连络，也突显了PPD-H1手脚矫正派麦及可能其他谷类作物耐热性的伏击基因资源和育种靶点，关于扶持稳妥将来时势变化的作物品种具有伏击意旨。将来的商讨可进一步探索PPD-H1卵白径直或盘曲调控下流能量代谢和激素通路基因的分子机制。
商讨团队与资助
该商讨由德国海因里希·海涅大学杜塞尔多夫分校植物遗传学商讨所（InstituteofPlantGeneticsAG真人百家乐怎么玩,Heinrich-Heine-UniversitätDüsseldorf）主导完成。第一作家：TianyuLan¹通信作家：MariavonKorff¹,⁴*(¹InstituteofPlantGenetics,Heinrich-Heine-UniversitätDüsseldorf;⁴ClusterofExcellenceonPlantSciences“SMARTPlantsforTomorrow'sNeeds")该商讨赢得了德国科学基金会（DFG）的罕见策略形态、中德合营商讨形态以及中国国度留学基金委（ChinaScholarshipCouncil）等的资助。