JIPB | 小麦玉米两熟高效生产全重实验室胡兆荣团队找到提高小麦抗逆与品质的新靶点

2026年9月7日，中国农业大学农学院、小麦玉米两熟高效生产全重实验室胡兆荣教授和茅台学院资源与环境学院刘星贝副教授团队在专业期刊《Journal of Integrative Plant Biology》（IF=12.5）发表了题为“TaHDA1-mediated histone and non-histone deacetylation orchestrates drought tolerance in wheat”的研究论文。干旱胁迫如何通过表观遗传修饰调控作物代谢进而影响抗逆性，是植物逆境生物学领域备受关注的核心问题，但具体分子机制仍不清楚。该研究通过酵母双杂交筛选、多组学分析及遗传学实验，鉴定出组蛋白去乙酰化酶TaHDA1作为小麦抗旱性的负调控因子，并揭示其通过去乙酰化TaGAD1第493位赖氨酸，促进该蛋白的泛素化降解，从而抑制GABA积累的分子机制。这一发现不仅拓展了植物HDACs的功能认知边界，更为小麦抗旱育种提供了重要基因资源和理论支撑。

研究团队首先对小麦去乙酰化酶家族进行鉴定与表达分析，发现了TraesCS6A02G184100、TraesCS6B02G212600和TraesCS6D02G171000三个同源基因在干旱处理下表达量显著上调，其编码蛋白均含有高度保守的去乙酰化酶结构域且定位在细胞核与细胞质中，体外酶活实验证实其重组蛋白具备去乙酰化酶活性。

图1：TaHDA1的表达模式与去乙酰化酶活性鉴定

研究团队利用CRISPR/Cas9技术构建了敲除三个同源位点的tahda1-ko突变体以及过表达TaHDA1-OE株系，干旱处理及复水实验表明，敲除突变体的存活率比对照大幅提高（如HD-ko23复水存活率提升至90%），而过表达株系的存活率显著下降、失水速率明显加快，镜检显示干旱下过表达株系气孔开度显著大于对照，证明TaHDA1是小麦耐旱性的负调控因子。

图2：TaHDA1负调控小麦气孔运动及抗旱表型分析

研究团队通过酵母双杂交筛选并利用LCI、BiFC、Pull-down和Co-IP实验验证了TaHDA1与谷氨酸脱羧酶TaGAD1在细胞质中存在直接的物理相互作用；在干旱胁迫下，tahda1-ko突变体叶片中GAD酶活比对照提高，GABA积累量显著增加，而过表达株系GABA含量则明显降低，外源施加GABA可有效恢复过表达株系因干旱导致的鲜重与干重下降。

图3：TaHDA1与TaGAD1相互作用并影响干旱下内源GABA积累与GAD酶活

研究团队通过烟草瞬时表达和体外酶活实验发现TaHDA1能够直接去乙酰化TaGAD1，质谱分析与MusiteDeep预测锁定其关键乙酰化位点为第493位赖氨酸（K493）；进一步的细胞无细胞降解与泛素化实验表明，TaHDA1去乙酰化TaGAD1后促进其通过26S蛋白酶体途径发生泛素化降解，而模拟持续乙酰化的K493Q突变体则表现出高度的蛋白质稳定性且不再受TaHDA1诱导降解。

图4：TaHDA1去乙酰化TaGAD1的K493位点并促进其泛素化降解

研究团队进一步整合CUT&Tag和RNA-seq等多组学分析发现，TaHDA1敲除株系中组蛋白H3K9Ac修饰水平显著升高，筛选并鉴定出87个同时受TaHDA1调控和干旱响应的核心候选基因；荧光定量PCR与ChIP/CUT&Tag轨迹分析证实，TaHDA1通过改变这些干旱响应基因启动子区的H3K9Ac富集程度来动态调控其转录表达，而TaGAD1本身的转录水平则不受H3K9Ac修饰影响。

图5：多组学分析揭示TaHDA1介导H3K9乙酰化调控干旱响应基因表达

研究团队在田间干旱胁迫与正常灌溉条件下评估了系统材料的农艺性状，结果显示在干旱胁迫下，野生型和过表达株系的千粒重与籽粒大小显著降低，而tahda1-ko突变体能够维持稳定的籽粒形态与产量稳定性，同时成熟籽粒中的GABA含量显著高于对照；对自然群体重测序数据分析还鉴定出与其抗旱存活率显著相关的单倍型，展现出良好的育种应用潜力。

图6：TaHDA1突变体的田间抗旱表型、产量稳定性及自然变异单倍型分析

本研究揭示了去乙酰化酶TaHDA1作为负因子调控小麦耐旱性及籽粒营养品质的分子机制。在干旱胁迫下，TaHDA1通过直接去乙酰化谷氨酸脱羧酶TaGAD1的K493位点促进其泛素化降解，降低内源GABA积累，进而削弱气孔动态调控效率并加速失水；同时，TaHDA1在全基因组水平上去乙酰化组蛋白H3K9，压制干旱响应转录程序，最终降低小麦抗旱性。这一发现打破了以往单一表观基因调控的局限，建立了去乙酰化酶协同整合“非组蛋白稳定性”与“组蛋白转录重构”的双重调控新框架，不仅更新了植物表观遗传与代谢交叉调控的理论认知，也为育种家提供了兼顾抗旱稳产与高GABA营养价值的小麦分子育种新靶点。

原文链接：https://doi.org/10.1111/jipb.70384