The Crop Journal | 扬州大学揭示春季低温下小麦穗发育延迟的细胞和分子机制
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早春低温发生时，小麦幼穗发育正处于雌蕊原基分化至药隔期之间，一旦遭遇冻害，幼穗的内外结构损伤，小穗数和可育小花数降低，小麦穗发育延迟，最终导致小麦产量大幅度下降，严重制约着我国小麦生产和粮食安全。因此，近年来有关春季低温对小麦穗发育的研究成为农业生产上的热点问题和农业科技工作者亟待解决的难点问题之一。
近日，扬州大学农学院植物生理学教研团队在The Crop Journal在线发表了题为“Cytological and molecular characteristics of delayed spike development in wheat under low temperature in early spring”的研究论文，通过对早春低温条件下春性小麦“扬麦15”穗部器官发育的显微结构特征及基因表达特征的研究，揭示了春季低温下小麦穗发育受阻延迟的细胞学和分子机制。
研究者通过在低温室内模拟早春低温条件（−3 °C），观察了低温处理后0~27天的小麦穗部形态特征（图1），并且深入分析了低温处理后0、6、12、21天的穗部器官显微结构特征。结果表明，早春低温条件下小麦穗顶部的顶小穗提前分化、侧小穗中雌蕊、雄蕊、护颖和外颖原基（图2）以及穗中部、小穗基部的第一、二位小花的花药发育进程明显推迟。以低温处理后12天为例，当常温处理组花粉粒处于小孢子母细胞期时，低温处理组才处于次生造孢阶段。以上形态发育事件造成了小麦侧小穗发育的提前终止，降低了侧小穗数目，最终减少了小穗数和穗粒数。
该研究发现，早春低温条件诱导了脱落酸信号通路中的关键成员PP2Cs、SnRK2s和bZIP转录因子基因的上调表达，最终提高了穗中脱落酸含量。低温条件还诱导了33个冷响应蛋白基因的上调表达，GO功能富集分析表明，这些基因参与了小麦对低温胁迫的响应、脱落酸的生物合成与代谢过程。另外，低温条件也可直接诱导部分转录因子基因如MADS6、ERF4、ERF78、WOX6和NAC48的差异表达调控穗部器官形态建成事件，如小花发育、胚珠发育、雄蕊发育、花轮结构组成等（图3和图4），完成小麦穗发育对寒冷胁迫的响应。
作者和基金项目
扬州大学农学院植物生理学教研室余徐润讲师为该文第一作者，熊飞教授为通信作者。该研究得到国家自然科学基金项目（31801269和31971810）资助。扬州大学农学院植物生理学教研团队以小麦、水稻、大麦等谷类作物为研究对象，聚焦于幼穗和颖果发育、品质形成及其对非生物胁迫响应等方面的研究工作。近年来，该团队已在Journal of Experimental Botany、The Crop Journal、Journal of Integrative Agriculture、Rice Science等国内外重要学术期刊上发表多篇研究论文。
扬州大学作物发育生理及调控研究团队
THE CROP JOURNAL
The Crop Journal英文宣传片，敬请收看！
The Crop Journal (《作物学报（英文版）》)是中国科协主管，中国作物学会、中国农业科学院作物科学研究所和中国科技出版传媒股份有限公司共同主办的学术期刊，创刊于2013年10月。办刊宗旨为刊载作物科学相关领域最新成果，开展国际学术交流，促进我国作物科学研究水平及国际影响力的提升。主要刊登农作物遗传育种、耕作栽培、生理生化、生态、种质资源以及与农作物有关的生物技术、生物数学、农业气象等领域以第一手资料撰写的研究论文、研究简报以及专题综述等。2020年The Crop Journal的SCI影响因子为4.407，在JCR农学和植物学两个学科位于Q1区，并位列中科院分区农林类期刊一区。2019–2023年获中国科技期刊卓越行动计划重点项目资助。