Plant Cell（IF=10）| 大麦增产新途径：揭秘穗状花序尖端退化调控机制

二棱大麦 Bowman

T₂Hvgt1 基因敲除二棱大麦 Golden Promise 

六菱大麦 Morex

为了研究大麦穗状花序PTD的连续事件及其分子机制，在可控条件下种植了二棱大麦“Bowman”，并使用Waddington量表和“小穗中止”方法跟踪其早期穗状发育。结果显示，穗状花序发育具有稳健且可重复的模式，其中小穗顶端和注定死亡的小穗命运在明显迹象前已确定。PI-FDA染色揭示了从花序穹顶开始的细胞死亡过程，通常在花药受影响前发生。这些观察表明，大麦主穗的早期穗状发育和PTD受严格发育控制。

先前研究发现，生长素、细胞分裂素和赤霉素在大麦花序小穗中积累模式各异。我们假设这些植物激素模式影响顶端小穗/花序发育和死亡。在四个发育阶段内，顶端ABA水平显著升高，与花序穹顶停滞及死亡进展吻合，且ABA生物合成基因HvNCED1表达增强。相反，生长素和细胞分裂素主要积聚在穗状花序的中央和基部，促进生长。赤霉酸前体则在花序小穗伸长和小穗分化阶段高表达。这些植物激素模式表明，它们在不同部位的作用各异，其中ABA及其代谢物与PTD高度相关。

代谢和能量稳态对植物细胞生长、活力和死亡有深远影响。推测垂死的顶端小穗代谢发生变化，并借助MALDI的质谱成像技术，在二棱大麦Bowman侧小穗中检测到糖和氨基酸的空间分布差异。在垂死的顶端小穗中，糖和Gln信号较弱，而Asn在特定阶段显著增强。通过分析，定量了可溶性糖、氨基酸及糖酵解和三羧酸循环中间体的含量。蔗糖作为重要代谢物，在未死亡部分增加，但在垂死顶端小穗中中止。在氨基酸方面，芳香族氨基酸和支链氨基酸在小穗顶端死亡阶段积累，而中心代谢物Gln在顶端含量较低，可能影响顶端小穗生长。这些结果表明，花序顶端部分经历了代谢重编程，与未死亡部分有所区别，从而影响穗状花序的PTD。

为了理解大麦穗状花序顶端部分死亡的转录重编程，我们在W5.0至W7.5阶段进行了转录组深度测序。转录组数据揭示了47220个转录本在发育阶段内和之间受到差异调控。顶端与中央部分之间的差异表达转录本（DETs）数量远高于中央与基底部分，显示它们相反的发育趋势。这些DETs涉及多种生物过程，包括细胞周期、花发育、胚胎后形态发生等，为穗状PTD和小穗生长/分化机制提供了见解。基于熵的方法鉴定了位置特异性转录本，并发现不同发育阶段和位置的基因富集与细胞周期、花器官发育、光合作用等过程相关。尤其是顶端部分在W5.0时表达与正常分生组织发育相关的基因，但在W6.5和W7.5时，与衰老、ABA生物合成/信号传导和防御反应相关的基因表达增加。叶绿素分解代谢相关基因也在顶端死亡组织中富集，并通过MALDI-MSI原位可视化得到确认。这些发现揭示了顶端部分在穗状花序中的特定代谢重编程，与其死亡命运密切相关。

TF作为主要转录调节因子来严格调节和协调植物细胞死亡相关过程。在大麦穗状花序PTD的研究中，分析了花穗顶端表达PTD候选基因中的TF基因，其中MYB TF家族占比最大，其次是bZIPs、NACs等。W6.5大麦的顶端基因启动子中NAC结合顺式基序高度富集，表明NAC TF在顶端变性中的重要性。W7.5大麦顶端基因中富集了MYB和ABA反应性元件，揭示了光和ABA的调节作用。TF基因表达结果显示，叶片衰老相关的NAC和ERF基因以及HvGT1等关键基因在顶端表达。WGCNA分析揭示HvS40-like为PTD相关基因网络的枢纽，与NAC和HvGT1等靶标相互作用，参与细胞分解代谢、衰老等过程。

HvGT1是大麦花序顶端组织中高度表达的TF基因之一，与GT1样蛋白密切相关，可抑制花序的生长发育。通过CRISPR/Cas9编辑的Hvgt1敲除突变体在穗状花序PTD期间表现出延迟死亡，顶端小穗存活时间更长，花器官分化明显，最终导致小穗数量增加。然而，这些额外的小穗多为空壳，未显著增加最终粒数。Hvgt1突变体还显示分蘖增多，表明HvGT1在大麦穗状花序PTD中起关键作用，其缺失可延缓穗头死亡，提高小穗存活率，不影响最终籽粒产量。

六棱大麦的每个花序节都有三个可育小穗，而二棱大麦的侧小穗不育。研究了导致六棱大麦Morex花序顶部PTD的机制。Morex在控制生长条件下显示稳定的花序发育模式，W8.25左右开始穗状花序穹顶塌陷，显示PTD。ABA水平在死亡起始阶段增加，表明与PTD的关联。RNA-seq分析显示，六棱和二棱大麦在PTD期间有相似的转录重编程，包括光信号传导、衰老和细胞死亡等过程。HvGT1是顶端部分高度表达的基因，其敲除可提高侧小穗存活率。通过候选基因关联研究，我们发现HvGT1上游的SNP与侧小穗存活率显著相关，表明自然的HvGT1基因组变异可能影响大麦花序侧小穗存活的表型差异。