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普通小麦每朵小花通常仅形成一粒种子，但一类罕见的自然突变体能够在每朵小花中发育出三个子房，分别成熟为三粒饱满的麦粒。马里兰大学Vijay Tiwari团队在《美国国家科学院院刊》（PNAS）发表的最新研究中，通过高精度基因组比较定位了导致这一“多籽”性状的关键基因——WUSCHEL-D1（WUS-D1）。该基因在突变体花发育早期异常激活，诱导花器官膨大及额外雌性结构（柱头和子房）形成，显著增加每穗粒数。研究指出，通过基因编辑或分子标记辅助育种激活或增强WUS-D1表达，可在不增加土地、水肥投入的情况下显著提升小麦单产，为应对全球粮食安全和气候变化挑战提供新策略。此外，该机制有望推广至其他谷类作物，如水稻和玉米。

小麦产量瓶颈与“多籽”突变

随着全球人口增长和气候变化加剧，耕地和水资源日益紧张，传统育种和农艺措施已接近产量瓶颈。小麦产量主要由亩穗数、穗粒数和千粒重三要素决定，其中每穗粒数受限于每朵小花形成籽粒的数量，普通小麦每朵花仅结一粒籽粒。

此前发现的罕见自然突变体表现为每朵小花形成三个子房，均发育为籽粒，显著提升穗粒数，但其遗传基础和调控机制长期未明。

研究方法：高精度基因组定位

研究团队构建了突变体与普通小麦的高分辨率基因组图谱，利用比较基因组学和精细定位技术，将目标区域锁定在染色体上的特定区段。进一步分析显示，突变体中一个通常处于沉默状态的基因——WUSCHEL-D1（WUS-D1）被异常激活。

WUSCHEL基因是植物中高度保守的干细胞调控因子，在茎尖分生组织中维持干细胞活性。小麦花发育早期，WUS-D1通常不表达。突变体因上游调控区（如启动子或增强子）变异，导致WUS-D1在花分生组织决定阶段提前表达，诱导花器官膨大及额外雌性器官（柱头和子房）异位形成。

机制验证与育种应用

1. 功能验证：通过CRISPR基因编辑技术在普通小麦中模拟WUS-D1激活表达，成功获得多籽表型，证实该基因的因果作用。

2. 育种策略：

• 分子标记辅助育种：利用与WUS-D1紧密连锁的DNA标记，将多籽性状导入高产品种，避免连锁不良性状累积。
• 基因编辑：直接编辑WUS-D1调控序列（如启动子），实现适时适度激活，避免过度表达引发花序畸形。
• 杂交小麦优势：多籽性状可提高杂交小麦制种效率，增加每朵花的种子产量。

通讯作者Vijay Tiwari教授指出：“精确定位该性状的遗传基础，为育种家整合该性状到新品种提供了途径。通过基因编辑技术，我们可以进一步优化多籽性状，显著提升小麦产量，这为开发经济高效的杂交小麦提供了新的可能。”

对全球粮食安全的意义

• 单产提升：每穗粒数增加10-20%即可对全球小麦年产（约7.7亿吨）产生显著影响。
• 资源节约：在现有耕地和投入条件下实现增产，减少开垦新耕地的环境压力。
• 跨物种推广：WUSCHEL同源基因在水稻、玉米、高粱等谷类作物中高度保守，可能通过类似机制提升多籽比例。

未来研究方向

• 精准表达调控：探索WUS-D1的最佳表达时空窗口，避免表达过弱无效或过强引起花序结构异常。
• 多基因聚合：将WUS-D1与其他增产基因（如穗粒数、千粒重）聚合，突破产量上限。
• 环境适应性评估：测试多籽性状在不同气候条件（干旱、高温）下的稳定性，确保增产效益。

参考文献：
Adam Schoen等人，“WUSCHEL-D1上调通过诱导小麦多子房花发育提升籽粒数”，2025年10月14日，美国国家科学院院刊（PNAS）。DOI: 10.1073/pnas.2510889122