背景：小麦表皮蜡质组分及含量对小麦生长、抗旱和产量具有重要意义。与模式植物拟南芥不同，小麦蜡质组分复杂，除超长链初级醇、烷烃、脂肪醛及脂肪酸等常见蜡质组分外，还存在二酮、烷基间苯二酚等麦类特有物质。小麦表皮蜡质在不同生长时期，不同组织器官间存在明显差异，其中初级醇、烷烃及二酮为小麦重要蜡质组分。
本文旨在研究小麦表皮蜡质烷烃的合成机理。结合小麦转录组数据及各时期蜡质组分数据，发现拟南芥超长链烷烃合成同源基因TaCER1-1A。利用小麦缺体-四体系证明该基因位于小麦1A染色体并显着影响小麦表皮烷烃的合成。通过拟南芥和水稻的过表达，证明TaCER1-1A参与植物超长链烷烃的合成，与对照组相比，烷烃含量增长达100%且各链长烷烃均有增长。TaCER1-1A过表达植株较对照组表现出更强的抗旱性，其叶片失水速率及叶绿素浸提速率明显低于对照。本研究表明TaCER1-1A对小麦表皮烷烃合成具有重要贡献，为小麦抗旱育种提供了理论依据。主要内容如下：
1. 小麦表皮蜡质烷烃合成相关基因TaCER1-1A的分离
本研究选用的植物材料为小麦品系W87，该品系在成株期不同器官（如旗叶，穗，叶鞘等）表面均有较高的蜡质积累。首先，我们对W87不同时期、不同组织器官的蜡质进行了GC-MS分析。发现烷烃在各组织器官中均有积累，且在穗部含量极高。在不同的组织器官中，烷烃链长的分布不尽相同（图1）。
通过同源比对，我们在小麦中找到了拟南芥烷烃合成基因CER1的9个同源基因：CER1-1A/B/D、CER1-4A/B/D、CER1-6A/B/D。转录组分析表明CER-1A在各器官中均高量表达，而且相对于其他候选基因，在烷烃大量积累的器官中表达量是最高的（图2a）。因此，我们选定TaCER-1A基因为后续研究的候选基因。我们继而对该基因进行了表达谱分析，该基因在旗叶，颖壳和芒中高量表达（图2b）。
图1 烷烃在不同组织器官中的链长分布
图2 不同器官CER1的表达水平
2. TaCER1-1A的功能验证
我们首先在中国春（CS）缺四体N1AT1B确认了候选基因TaCER1-1A的功能。相对于对照CS，缺失了1A染色体的N1AT1B缺四体材料烷烃含量下降了大约30%，其中C33烷烃含量下降尤为显着（图3）。
图3 TaCER1-1A表达及蜡质烷烃的组成
为进一步确定候选基因的功能，我们分别在拟南芥和水稻中进行了转基因验证。首先在拟南芥中，相对于空载体对照拟南芥过表达株系蜡质总量升高两倍有余，烷烃总含量从对照的0.34±0.04 μg cm-2上升到了0.19±0.10 μg cm-2（图4A）。各种链长的烷烃和支链烷烃的含量也均有增加（图4B）。而且，TaCER1-1A可以回补拟南芥CER1 的表型缺陷。
图4 TaCER1-1A过表达拟南芥株系叶片表皮蜡质组分及含量
在水稻过表达实验中，我们用了水稻叶片特异性表达启动子OsGL1-1。共获得了3个转基因株系，对其叶片蜡质组分及含量进行分析，发现只有烷烃含量有显着的增加。其中，C25和C33烷烃含量增加了两倍以上（图5）。
图5 TaCER1-1A过表达水稻株系叶片表皮蜡质组分及含量
3. TaCER1-1A的生物学功能
提高保水性是植物表皮蜡质的主要功能，为了验证TaCER1-1A过量表达以及蜡质积累的增加是否能提高转基因植株的保水性，我们用水稻转基因株系的叶片进行了保水性实验和叶绿素浸提实验，结果表明，过表达TaCER1-1A能有效改变植物角质层特性，降低其水分散失，增加保水性和降低叶绿素浸提速率（图6）。
图6 TaCER1-1A过表达水稻株系叶片水分散失及叶绿素浸提情况
同时，我们检测了不同小麦品系在干旱胁迫下TaCER1-1A的表达情况。相对于对照，干旱处理植株中TaCER1-1A的转录水平显着升高（图7），进一步证明了该基因的功能及其对提高小麦耐旱性能的重要意义。
图7 干旱胁迫下TaCER1-1A的表达情况
7月15日《Plant cell and Environment》杂志在线发表了西北农林科技大学王中华研究团队这一研究成果(DOI: 10.1111/pce.13614)。王中华研究组博士生李婷婷为该论文的第一作者，西北农林科技大学王中华教授为该论文的通讯作者。该项研究得到国家自然科学基金基金等项目资助。
参考文献：
Tingting Li, Yulin Sun, Tianxiang Liu,Hongqi Wu, Peipei An, Zhijie Shui, Jiahuan Wang, Yidan Zhu, Chunlian Li, YongWang, Reinhard Jetter, Zhonghua Wang. . Plant Cell and Environment.TaCER1‐1Ais involved in cuticular wax alkane biosynthesis in hexaploid wheat and responds to plant abiotic stresses.
