人类在历史发展进程中改造着天然动植物，使其驯化适应于人类需要而发展。植物驯化的过程实际上是选择和改变植物基因的过程。然而，传统的育种方式周期漫长，只看到了植物性状改变的结果，不知道背后的遗传机制。小麦作为重要的口粮之一，是一种近亲繁殖的作物，其遗传多样性相对较低，具有独特的进化限制。养活不断增加的人类人口是一个巨大的挑战。因此，需要在小麦中创造新的等位基因和识别新的位点用于进一步提高籽粒产量性状。

小麦穗为复穗状花序，穗轴上着生若干轴节，每个轴节的基部会着生一个小穗。小穗数是穗粒数的直接构成因素，且与穗粒数呈显著正相关。因此，通过解析小麦穗发育时期影响小穗数的关键基因对于增加穗粒数进而提高小麦籽粒产量具有重要的理论意义和应用价值。本研究以禾本科模式植物二穗短柄草穗型突变体材料为桥梁，来研究小麦穗型调控基因。

首先，他们筛选到一个二穗短柄草T-DNA插入突变体bdduo1，该突变体表现为每穗小穗数的增多。作者通过一系列遗传学试验进一步明确了BdDUO1在二穗短柄草穗型调控中的作用。

‍

图：DUO1的功能分析。A-B: 二穗短柄草野生型(A)，主穗有4个小穗；突变体(B)有8个小穗。C-G示该基因在小麦中的作用。C：小麦品种Fielder穗型。D: duo1突变体穗型。E: 小麦品种Fielder每个穗轴节片着生一个小穗。F: 突变体每个穗轴节片着生三个小穗。G: F图穗子解剖。H-I: 主穗穗粒数比较，突变体穗粒数明显增多。

接下来，研究团队利用基因敲除技术在小麦中人为编辑了该基因。他们发现基因编辑突变体的穗子中下部表现出多小穗表型（每个轴节的基部会着生2-3个小穗）。通过活体成像，发现突变体幼穗基部小花原基位置的细胞数目和细胞大小明显大于野生型品种，暗示该基因调控了细胞分裂。

最后，研究者在田间进行了产量小区实验，发现基因编辑突变体比野生型能够显著提高每穗穗粒数，从而提高小麦单位面积产量。团队人员进一步研究发现，该基因从农家种到栽培种的育种过程中并没有被人工选择。因此，通过人工编辑DUO1基因，获得调控小麦籽粒产量的优异等位变异，对于我们深入了解穗粒数调控的分子机制及指导小麦产量性状的遗传改良具有重要的理论与实践意义。

相关论文信息：

DOI：10.1038/s41477-022-01197-9