Nat Commun. (Q1/15.7) 项目文章解读 | 安徽农业大学揭示小麦 TaCNGC-2A 调控种子休眠与穗发芽抗性的分子机制

近期，多单位联合团队在《Nature Communications》上发表了题为“TaCNGC-2A suppresses seed dormancy and activates pre-harvest sprouting through modulating calcium and hormonal signaling pathways”的研究论文。研究团队利用图位克隆、活体生理检测追踪种子钙信号与激素动态变化，明确胞内钙离子失衡是种子休眠弱化、穗发芽发生的核心细胞基础；发现环核苷酸门控通道蛋白编码基因 TaCNGC-2A 负调控该发育过程，该基因启动子关键位点变异、基因表达量改变会造成种子钙稳态紊乱、激素比例失衡，进而大幅改变种子休眠水平，为禾本科作物休眠调控通路解析、抗穗发芽分子育种提供理论支撑与基因资源。该研究填补了小麦 CNGC 钙通道蛋白参与种子休眠调控的研究空白，同时为小麦稳产提质、抗逆株型种质改良提供全新编辑靶点与功能分子标记。

发表单位：安徽农业大学、河南省农业科学院、河北省农林科学院、澳大利亚国立大学等

发表期刊：Nature Communications

影响因子：15.7

发表时间：2026 年 3 月

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-70894-2

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1  技术路线

2  研究结果

1. TaCNGC-2A 敲除显著增强种子休眠与穗发芽抗性

通过图位克隆将小麦2A染色体上的主效QTL Qsd.ahau-2AL 精细定位至0.47 Mb区间，并锁定候选基因TaCNGC-2A。利用CRISPR/Cas9在品种KN199和AN188中敲除 TaCNGC-2A 后，敲除株系的种子发芽率较野生型降低约40%-50%，穗上发芽明显延迟，而田间试验表明敲除不影响株高、分蘖及粒重等产量性状。此外，启动子-312 bp 处的 T/A 自然变异中，A等位变异与更强的休眠性显著相关。以上结果证实TaCNGC-2A是种子休眠的负调控因子，敲除该基因可有效提高穗发芽抗性且无产量代价。

图1：Qsd.ahau-2AL 位点候选基因 TaCNGC-2A 的鉴定，以及 TaCNGC-2A 在小麦 SD 和 PHS 抗性中的作用

2. TaMYB-5B 和 TaMYB-5D协同结合启动子并抑制TaCNGC-2A 表达

通过酵母单杂交、EMSA 和 ChIP-qPCR 等实验，作者发现转录因子 TaMYB-5B 和 TaMYB-5D 可直接结合 TaCNGC-2A 启动子中的 -312 bp 区域。双荧光素酶报告实验表明，TaMYB-5B 能同时抑制含T或A等位启动子的活性，而 TaMYB-5D 仅抑制含A等位的启动子。进一步的蛋白互作实验（BiFC、Co-IP、pull-down）证实 TaMYB-5B 与 TaMYB-5D 可形成异源二聚体，且二者共表达时对启动子的抑制作用更强，说明 TaMYB-5B 和 TaMYB-5D 协同抑制 TaCNGC-2A 的转录。

图2：MYB 转录因子 TaMYB-5B 和 TaMYB-5D 直接结合 TaCNGC-2A 启动子，协同抑制 TaCNGC-2A 表达

3. TaMYB-5B 和 TaMYB-5D过表达增强种子休眠，且作用于 TaCNGC-2A 上游

在温室和田间条件下，过表达 TaMYB-5B 或 TaMYB-5D 的小麦株系种子发芽率较野生型降低 30%-40%，穗上发芽显著延迟；而相应的 EMS 突变体则发芽率升高。遗传互作分析显示，在 TaCNGC-2A 过表达背景下共表达 TaMYB-5B/5D 可部分恢复高发芽率，且双过表达株系中 TaCNGC-2A 的表达量显著下调。这些结果表明 TaMYB-5B 和 TaMYB-5D 作为上游调控因子，通过抑制 TaCNGC-2A 表达来增强种子休眠与穗发芽抗性。

图3：TaMYB-5B 和 TaMYB-5D 在小麦 SD 和 PHS 抗性中的作用

4. TaCNGC-2A 与钙调蛋白 TaCaM-3A 存在钙离子依赖性蛋白互作

酵母双杂交、BiFC 和 Co-IP 实验共同证明 TaCNGC-2A 与钙调蛋白 TaCaM-3A 在体内外存在直接物理互作。随着外源 Ca²⁺ 浓度升高，二者互作强度增强；而突变 TaCaM-3A 中四个 EF-hand 的关键 Ca²⁺ 结合位点后，其与 TaCNGC-2A 的结合能力显著下降。截短实验进一步揭示 TaCNGC-2A 中的 IQ 基序是结合 TaCaM-3A 的关键结构域。以上结果揭示 TaCNGC-2A 与 TaCaM-3A 的互作是 Ca²⁺ 依赖性的，且 IQ 基序为此互作所必需。

图4：TaCNGC-2A 与 TaCaM-3A 相互作用

5. TaCaM-3A 负调控种子休眠，敲除可同时提高穗发芽抗性和产量

在温室和田间条件下，过表达 TaMYB-5B 或 TaMYB-5D 的小麦株系种子发芽率较野生型降低 30%-40%，穗上发芽显著延迟；而相应的 EMS 突变体则发芽率升高。遗传互作分析显示，在 TaCNGC-2A 过表达背景下共表达 TaMYB-5B/5D 可部分恢复高发芽率，且双过表达株系中 TaCNGC-2A 的表达量显著下调。这些结果表明 TaMYB-5B 和 TaMYB-5D 作为上游调控因子，通过抑制 TaCNGC-2A 表达来增强种子休眠与穗发芽抗性。

图5：TaCaM-3A 在小麦 SD 中的作用

6. TaCNGC-2A 启动子 -312A 为有利等位变异，多基因聚合可强化休眠

在 213 份小麦种质中，-312A 等位变异（强休眠）的频率为 50.2%，且在地方品种中的比例高于现代品种。U检验证实携带 -312A 的种质发芽指数显著低于携带 -312T 的种质，而其他位点的变异无显著影响，确认 -312 T/A 为关键功能 SNP。将 TaCNGC-2A 的 R 等位（-312A）与六个已知休眠相关基因（TaMFT-3A、TaVp-1、TaMyb10-D、TaMKK3-A、TaQsd1-5B、TaPI4K-2A）的 R 等位进行聚合分析，发现组合中 R 等位数量越多，发芽指数越低，其中六基因组合表现出最强休眠。基于上述结果，作者提出工作模型：降雨等环境信号激活 TaMYB-5B/5D，二者协同抑制 TaCNGC-2A 表达，进而通过 TaCaM-3A 调控钙信号与激素通路，最终决定种子休眠与穗发芽抗性。

图6：TaCNGC-2A 的等位基因频率分析，TaCNGC-2A 结合已知休眠基因对 SD 的影响，一个假设的工作模型，TaCNGC-2A 调控小麦 SD 和 PHS 抗性

3  小瑞总结

本研究植物激素测定由维百瑞检测提供

作者团队通过图位克隆鉴定出小麦 TaCNGC-2A 基因，其编码环核苷酸门控钙离子通道蛋白，是种子休眠的负调控因子。敲除该基因可显著增强穗发芽抗性，且不影响产量等农艺性状。启动子 -312 bp 处 T/A 自然变异中，A 等位变异与强休眠相关。上游转录因子 TaMYB-5B 与 TaMYB-5D 协同结合该位点，抑制 TaCNGC-2A 表达。

TaCNGC-2A 蛋白与钙调蛋白 TaCaM-3A 发生钙离子依赖的互作，共同调控钙信号通路、多种激素信号及已知休眠相关基因的表达。敲除 TaCaM-3A 不仅能增强休眠和穗发芽抗性，还可增加粒重及单株产量。此外，聚合 TaCNGC-2A 有利等位与其他六个休眠基因的优异等位组合可进一步强化休眠。该研究揭示了钙信号调控种子休眠的新机制，为抗穗发芽分子育种提供了重要基因资源。