中农大PBJ重磅：WAPO1泛素化通路破解小麦增穗增产分子密码

小麦是全球主要粮食作物，穗粒数是决定产量的关键因素，而每穗小穗数是影响穗粒数的重要构成。尽管已有研究揭示了多个调控小麦穗发育的基因，但开花蛋白TaFT1在茎尖分生组织中的翻译后调控机制仍不明确。近期中国农业大学孙其信院士、刘杰教授团队在《Plant Biotechnology Journal》发表原创研究，系统阐明F-box蛋白WAPO1依靠泛素化修饰调控成花素TaFT1，实现小麦单穗小穗数提升与稳产增产的完整分子机制，为小麦高产育种提供了新的分子靶点和自然等位基因资源。

一、实验思路与方法

本研究以大穗材料AS420×常规品种轮选987（LX987）构建遗传分离群体，通过图位克隆锁定小穗主效QTL候选基因WAPO-A1；围绕关键自然变异C47F，从蛋白互作→泛素化生化机理→下游靶基因调控→转基因株系表型验证→多年多点大田产量鉴定→全球种质演化分析全链条解析基因功能，明确WAPO-A1b在小麦高产育种中的应用价值。

• 关键实验方法：

1）遗传材料创制：构建237份F₆代RIL重组自交系、近等基因系NIL-A1b/NIL-A1f；

2）基因定位与标记开发：多环境QTL定位、精细图位克隆，基于关键SNP开发KASP功能分型标记；

3）小麦遗传转化：构建WAPO-A1b过表达载体、CRISPR-Cas9 敲除载体，农杆菌介导转化春小麦Fielder，获得过表达（OE）株系与wapo1敲除突变体；

4）分子生化试验：酵母双杂交、双分子荧光互补、荧光素酶互补、Co-IP验证蛋白互作；体内/体外泛素化、蛋白降解实验、质谱鉴定泛素修饰位点；

5）表达分析：qRT-PCR、幼穗组织原位杂交检测下游基因VRN1/WAP1表达量；

6）田间表型鉴定：河北、河南、山西5个生态环境多年种植，测定抽穗期、小穗数、穗长、千粒重、小区产量等农艺性状；

7）种质资源分析：1500+份全球小麦种质、国内268份小麦微核心种质分型，解析等位基因地域分布与育种演化规律。

该研究在功能验证阶段采用了小麦过表达转基因和CRISPR/Cas9基因编辑两种核心技术。其中，过表达材料使用Ubi启动子驱动WAPO-A1b-GFP融合蛋白，通过农杆菌介导法转化小麦品种Fielder；敲除突变体则通过设计靶向基因的sgRNA，经T4连接酶构建至载体后转化获得。这些遗传转化手段是解析小麦关键基因功能的重要支撑，也适用于大豆、玉米等其他作物的功能基因组学研究。.

二、研究核心亮点

1. 找到主效基因：通过多环境QTL+精细图位克隆，锁定7AL染色体WAPO-A1是控制小穗数关键基因，一个氨基酸突变（C47F）就能实现大穗表型；
2. 阐明分子通路：WAPO1作为E3泛素连接酶，特异性识别TaFT1并在C41/K44位点泛素化降解，A1b优良等位结合能力更强、降解效率更高；TaFT1减少后，下游成花基因VRN1表达下调，小穗分化时间延长；
3.  大田实证增产：转基因过表达小麦小穗、穗粒、千粒重全面上涨，敲除突变体减产。

Figure 6. Overexpression of WAPO1 enhances grain yield in wheat under field growth conditions

三、应用潜力：WAPO-A1b等位基因在育种中被正向选择且增产效果显著

等位基因分布分析显示，WAPO-A1b在二倍体、四倍体到六倍体小麦中的频率逐步上升，提示其在育种过程中被正向选择。该等位基因在亚洲及中国多个小麦主产区广泛分布，尤其在长日照地区富集。近等基因系田间对比表明，NIL-A1b比NIL-A1f每穗粒重提高11.38%，小区产量提高4.8%，充分证明WAPO-A1b等位基因在高产育种中的巨大潜力。

Figure 7. Potential utilization of the natural WAPO-A1b allele for high-yield wheat breeding

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