普通小麦每朵小花仅形成一粒种子；但一个罕见的自然突变体却能在每朵小花中发育出三个子房（卵巢），并分别成熟为三粒饱满的麦粒。 马里兰大学Vijay Tiwari团队在 PNAS 发表的研究，通过高精度基因组比较，定位了导致这一“三籽”性状的关键基因——WUSCHEL-D1（WUS-D1）。在突变体中，该基因在花发育早期异常激活，导致花器官膨大、额外雌性结构（柱头与子房）形成，使每穗粒数大幅增加。研究者指出，通过基因编辑或分子标记辅助育种激活或增强WUS-D1的表达，可在不增加土地、水、肥料投入的前提下显著提高小麦单产，为应对全球粮食需求与气候变化提供新策略。该机制还有望推广至其他谷类作物（如水稻、玉米）。

小麦产量瓶颈与“三籽”突变

全球人口持续增长，气候变化加剧，耕地与水资源有限，使得主要粮食作物（尤其是小麦）的单产提升面临巨大压力。传统育种与农艺措施已接近产量平台，需要挖掘新的产量构成因子。小麦产量三要素为：亩穗数、穗粒数、千粒重。其中，“每穗粒数”主要受每朵小花能形成的籽粒数限制——普通小麦每朵小花通常只结一粒。

此前，研究人员发现了一个罕见的普通小麦自然突变体（来源于“三籽小麦”种质），其每朵小花可形成三个子房，并全部发育为籽粒，使穗粒数显著增加。但该性状的遗传基础与调控机制长期未知。

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，通过比较基因组学与精细定位，将目标区域锁定在染色体上的一小段区间。进一步分析发现，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。但在小麦花发育早期，WUS-D1通常不表达。突变体中，由于上游调控区变异（可能是启动子或增强子突变），WUS-D1在花分生组织决定阶段提前表达，导致花器官膨大、额外雌性器官（柱头与子房）异位形成。

机制验证与育种应用

1. 功能验证
通过基因编辑（CRISPR）在普通小麦中模拟WUS-D1的激活表达，研究者成功获得了“多籽”表型，证实了该基因的因果作用。

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，将三籽性状导入高产背景品种，避免连锁累赘；

• 基因编辑：直接编辑WUS-D1的调控序列（如启动子），使其在适当发育阶段适度激活，避免过度表达导致花序畸形；

• 杂交小麦优势：WUS-D1诱导的多籽性状可提高杂交小麦的制种效率（每朵小花产生更多种子）。

“精确定位这一性状的遗传基础，为育种家将其整合入新品种提供了途径，可能增加每穗粒数与总体产量，”通讯作者Vijay Tiwari教授指出，“通过基因编辑工具，我们现在可以进一步优化这一性状，提升小麦产量。这一发现为开发经济高效的杂交小麦提供了令人兴奋的路径。”

对全球粮食安全的意义

• 单产提升：每穗粒数增加10-20%即可对全球小麦总产产生巨大影响（小麦年产量约7.7亿吨）；

• 资源节约：在现有耕地与投入下增产，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、高粱等谷类作物中保守，可能通过类似机制提高多籽比例。

未来方向

• 精准表达调控：探索WUS-D1的最佳表达窗口（过弱无效，过强导致花序结构异常）；

• 多基因聚合：将WUS-D1与其它增产基因（如穗粒数、千粒重）聚合，突破产量上限；

• 环境适应性：评估多籽性状在不同气候区（干旱、高温）的稳定性，确保增产效益。

参考信息
Reference: “WUSCHEL-D1 upregulation enhances grain number by inducing formation of multiovary-producing florets in wheat” by Adam Schoen, Guilherme V. Yoshikawa, Parva Kumar Sharma, Alex Mahlandt, Yi Chen, Huajin Sheng, Leon Kochian, Peng Gao, Daoquan Xiang, Teagen D. Quilichini, Prakash Venglat, Sheng Wang, Inderjit Singh Yadav, Robert Sablowski, Yuqi Wang, Peng Zhang, Annabel Whibley, Amy Hill, Yong Gu, Daniel Rodriguez-Leal, Weifeng Luo, Yiping Qi, Nathan Meier, Anmol Kajla, Matthew Willman, Gina Brown-Guedira, Sheron A Simpson, Ramey C. Youngblood, Amanda Hulse-Kemp, Angus Murphy, Bikram Gill, Cristobal Uauy, Raju Datla, Nidhi Rawat, Scott A. Boden and Vijay Tiwari, 14 October 2025, Proceedings of the National Academy of Sciences.
DOI: 10.1073/pnas.2510889122