2023年9月9日，生命学院何光源教授/杨广笑教授/李引副教授团队在综合性期刊《Journal of Advanced Research》在线发表题为“Integrative gene duplication and genome-wide analysis as an approach to facilitate wheat reverse genetics: an example in the TaCIPK family”的研究论文，建立了多物种的基因家族比较分析策略，解析了小麦族CIPK家族的演化和基因复制，并鉴定到小麦族特异的TaCIPK17串联复制事件，发现了TaCIPK17-A2可提高植物耐旱能力。

作物的基因功能解析主要依赖于正向或反向遗传学策略。然而，一些重要作物由于多倍化、基因组复杂、遗传转化较难、同源基因（如同源多倍体的 homologs或异源多倍体中的homoeologs）功能冗余等特点导致遗传学研究不易开展。反向遗传学研究往往依赖于模式物种中已有的基因功能研究结果和目标物种中的基因家族鉴定（genome-wide analysis）。特别是多倍体作物由于多倍化或基因复制，基因家族庞大成员众多，如何快速精准的推断值得深入开展功能研究的基因家族成员便非常重要。普通小麦是异源多倍体作物的代表之一，其由二倍体乌拉尔图小麦（Triticum urartu）和斯皮尔托山羊草（Aegilops speltoides）的近缘物种和粗山羊草（A. tauschii）经历两次异源多倍化形成。近年来，小麦族中的二倍体祖先物种、四倍体物种和六倍体普通小麦高质量参考基因组先后发布，为利用麦族演化信息开展基因鉴定奠定了基础。前期，中国农大郭伟龙团队通过GeneTribe策略推断小麦族物种基因同源关系（Chen et al., 2020 Mol Plant），中科院植物所焦远年团队通过对麦族物种复制基因的深入分析发现麦族存在近期基因复制爆发（Recent burst of gene duplication, RBGD），推测与小麦的物种形成、环境适应性等性状密切相关（Wang et al., 2022 Plant Comm）。能否利用这些组学资源开展反向遗传学研究、准确快速挖掘小麦中参与重要性状形成的基因呢？

为了回答上述科学问题，团队整合了比较基因组学、多组学分析和分子遗传学手段，取得了如下研究结果：

1、构建了integrative gene duplication and genome-wide analysis (iGG分析)

提出利用作物演化信息，整合比较基因家族在作物及其祖先物种、近缘种之间的演化关系，鉴定挖掘作物特异的复制基因和潜在新功能化或亚功能化事件。为验证该方法的有效性，团队比较分析了七种禾本科作物（水稻、二穗短柄草、大麦、粗山羊草、乌拉尔图小麦、野生二粒小麦和六倍体普通小麦）中CIPK和CBL基因家族的变化。共鉴定到320个CIPK基因和100个小麦TaCIPK基因，构建了OsCIPK-TaCIPK垂直同源关系图谱，发现禾本科早期全基因组加倍事件（WGD）复制而来的CIPK在小麦中倾向于丢失，而CBL则全部被保留。

2、探讨了CBL-CIPK在六倍体小麦中的基因剂量平衡关系

CBL-CIPK是植物中研究基因剂量平衡关系（gene dosage balance hypothesis）的一个典型案例，基因组中维持CBL-CIPK剂量平衡的策略在模式植物拟南芥中已有研究（Zhang et al., 2020 New Phytologist）。课题组基于前期对小麦CIPK的鉴定，构建了基于Y2H的TaCBL-TaCIPK互作关系，发现经历了复制的CBL和CIPK主要通过差异化的基因表达来维持CBL: CIPK 1:1的平衡关系，一些CBL和CIPK呈现广谱的表达模式，而另一些CBL和CIPK呈现时空特异的表达模式。此外，部分CBL、CIPK成员表现出ABD亚基因组之间的表达偏好性，可能是维持CBL-CIPK剂量平衡一种机制。因此，在小麦中复制后的CBL或CIPK的表达分化和亚基因组表达偏好性为CBL-CIPK在时、空、量上提供了精准控制从而维持基因剂量平衡。

3、TaCIPK17串联复制与耐逆作用

研究发现TaCIPK中仅TaCIPK17和TaCIPK22发生串联复制，TaCIPK4发生片段复制。结合TGT在线工具（Chen et al., 2020 Mol Plant）和RNA-seq数据分析发现TaCIPK17不同拷贝的基因表达模式对干旱胁迫和热胁迫呈现差异响应。于是我们研究了TaCIPK17-A2在植物耐旱方面的基因功能。TaCIPK17-A2在烟草中异源表达能显著增强植物叶片抗氧化能力、促进不定根生长，提高植物耐旱能力。TaCIPK17-A2在小麦中过表达显著提高幼苗和成株的叶片抗氧化能力和耐旱能力。

总之，本研究提出了利用作物演化信息开展基因挖掘的iGG策略，系统鉴定了TaCBL和TaCIPK基因，并为小麦耐旱性状遗传改良提供了新基因资源。

华中科技大学博士生吴雅楠、张倩和已毕业博士冯佳璐（现任职于武汉科技大学）为共同第一作者，华中科技大学何光源教授、杨广笑教授与李引副教授为共同通讯作者。本研究得到国家转基因重大专项（2016ZX08010004-004）、国家自科基金（31771418，31570261和32272126）、武汉市知识创新专项（2022020801010073）和华中科技大学人才引进和启动经费（2021XXJS070）的资助。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2090123223002400