不起眼的小麦和大麦植株表面的白霜，竟与产量和胁迫相关？
小麦(Triticumaestivum)和大麦(Hordeumvulgare)的旗叶、茎和穗表面呈浅蓝灰色，是表皮β-二酮蜡沉积的结果;这种表型与高产有关，特别是在干旱条件下。尽管有广泛的遗传和生化特性，β-二酮生物合成的分子遗传学基础仍然不清楚。研究论文，“AMetabolicGeneClusterintheWheatW1andtheBarleyCer-cquLociDeterminesβ-DiketoneBiosynthesisandGlaucousness.”对这一机制进行了深入研究。
1.普通小麦野生二粒染色体臂代换系的白霜性状分析
为了研究小麦β-二酮蜡，作者使用了野生二粒小麦（Triticumturgidumsspdicoccoides,TTD,2n=4x=28;基因组AABB）的染色体臂代换系(CASLs)。该品系是在白霜普通面包小麦品种Bethlehem(BL)(2n=6x=42;基因组AABBDD)背景下产生的。作者对白霜系BL和无霜系CASL*2BS的蜡质表型差异进行分析，已知W1和Iw1位点在蜡的生物合成中起作用，并且位于2BS上，表明这两个位点是蜡不同表型的基础（图1A,B）。
为确定BL与CASL*2BS之间白霜度差异的潜在原因，采集开花植物旗叶和旗叶鞘及花梗，采用气相色谱-质谱联用(GC-MS)和火焰电离检测对其角质层蜡质进行分析。比较BL株系，结果表明CASL*2BS植物缺乏β-二酮及其羟基-β-二酮衍生物和相关的2-烷醇酯（图1C,D）。转录组分析及前人的研究报道揭示了六倍体面包小麦β-二酮生产的3个基因，即W1位点的候选基因，它们被命名为DiketoneMetabolism-PKS(DMP),-Hydrolase(DMH),and-CYP(DMC)（表1）。而进一步的研究分析染色体臂2BS，TTD和CASL*2BS中均未发现上述三个候选基因。
图1白霜BL和无霜系CASL*2BS的蜡质表型差异
表1小麦和大麦β-二酮生物合成候选基因
2.四倍体小麦2BS基因精细图谱揭示了三个β-二酮代谢候选基因W1和Iw1位点之间的完全连锁(图2A,B)。这3个β-二酮生物合成候选基因是白霜野生二粒小麦Zavitan基因组代谢基因簇的一部分，在无霜野生二粒小麦TTD中缺失(图2C,D)。
图2W1/Iw1的遗传和物理图谱。
3.候选β-二酮生物合成基因紧密共表达，其表达与β-二酮积累模式一致
如果DMP、DMH和DMC编码β-二酮生物合成的酶，它们的表达有望与β-二酮的积累相关。在白霜组织中，β-二酮在植株成熟过程中最上部节间开始积累，大约在出穗前2周。3个候选基因在BL的下节和上节表达分析表明，在白霜节间的表达量显著高于在无霜节间的表达量。这些基因在彼此之间表现出高度显著的共表达(r0.85)，这进一步支持其参与小麦β-二酮的生产（图3）。
图3三个β-二酮代谢基因簇成员在青光眼组织中高度表达并具有非常相似的表达模式。
4.DMP和DMH的沉默为它们在小麦β-二酮生物合成途径中的作用提供了证据
作者利用大麦条纹花叶病毒(BSMV)介导的病毒诱导基因沉默，对DMP和DMH基因进行沉默（VIGS）。接种BSMV:asDMP-1或BSMV:asDMP-2的小麦植株的旗叶鞘和颖片组织呈现无霜的表型。且在以TaDMH为沉默目标的植物中也观察到类似的无霜表型(BSMV:asDMH)。新穗旗叶鞘样品的表达检测证实，DMP和DMH转录水平在BSMV:asDMP-1、BSMV:asDMP-2和BSMV:asDMH感染植株中显著降低。此外，BSMV:asDMP-1、BSMV:asDMP-2-和BSMV:asDMH感染植株β-二酮和羟基-β-二酮含量均显著降低，为DMP和DMH基因在小麦β-二酮生物合成途径中的作用提供了进一步的证据（图4）。
图4小麦中DMP和DMH的VIGS影响β-二酮的生物合成并导致的无霜表型。
5.大麦2HS染色体臂上还存在一个β-二酮代谢基因簇
小麦2BS上的W1区与大麦2H染色体短臂同步。此外，大麦β-二酮生物合成基因(s)可能代表一个位于大麦2HS染色体上的代谢基因簇(cerc、cerq和ceru)。8个β-二酮生物合成缺失的大麦cer突变体，它们都具有β-二酮生物合成基因的突变或缺失，这有力地支持了大麦DMP、DMH和DMC分别是cer-c、cer-q和cer-u表型背后的基因（图5）。小麦W1和大麦cerc-cqu基因簇是保守的。换句话说，小麦和大麦具有相同的β-二酮代谢通路。
图5大麦β-二酮生物合成基因DMP、DMH和DMC突变体。
6.表达大麦DMH的大肠杆菌细胞积累β-二酮生物合成途径的中间体预测
β-二酮生物合成中存在酯酶/水解酶。表达大麦DMH基因的大肠杆菌细胞产生了两种在对照中无法检测到的代谢物，C-酮和C-烷醇。此外，对照组中C-羟基含量较低，表达Hv-DMH的细胞脂提取物中C-羟基显著增加。已知C-酮是由相应的C-酮脂肪酸自发脱羧产生的。因此，作者认为酮酸被酮所替代，并推断该酸是直接水解的产物。3-酮脂肪酸和2-酮可能分别被内源性大肠杆菌酶还原为3-羟基脂肪酸和2-烷醇，这就而解释了鉴定到的其他主要产物的原因(图6)。但是，这不能排除3-羟基脂肪酸在大麦体内的变化，并且酶活性需要进一步的生化特性来确定。
图6大麦DMH的异源表达表明其生化活性并导致β-二酮生物合成途径的修改。
本研究中，作者发现小麦W1位点包含一个介导β-二酮生物合成的代谢基因簇。该簇包含编码多个家族蛋白的基因，包括iii型聚酮合成酶、水解酶和与已知脂肪酸羟化酶相关的细胞色素p。在白霜小麦和无霜小麦的遗传图谱和物理图谱中均发现了聚类区域，显示出完全不同的单倍型。通过在植物中的基因沉默和在细菌中的异源表达获得的互补证据支持了一个涉及这三个蛋白家族成员的β-二酮生物合成途径模型。在β-二酮生物合成缺陷的大麦eceriferum突变体中发现了同源基因突变，在大麦β-二酮生物合成cerc-cqu位点上也发现了一个基因簇。因此，作者的发现为培育影响产量和胁迫反应的主要谷类作物的地表特征提供了新的机会。
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