小麦在适应干旱环境的过程中，主根向土壤进行纵向延伸以获取深层土壤水分。然而，目前调控主根发育的分子机制仍不完全清楚。植物多肽是一类长度通常小于100个氨基酸的信号分子，作为细胞间信号传递的信使，它们通过与质膜表面受体的胞外结构域识别并互作，广泛参与调控植物的生长发育以及对环境的响应等过程。然而，迄今只有小部分多肽激素的功能得到确认。

 9月3日，中国农业大学农学院小麦研究中心在 Science Advances 期刊在线发表了一篇题为 “The TaCEP15 peptide signaling cascade modulates primary root length and drought tolerance in wheat” 的研究论文。本研究围绕作物通过植物多肽信号途径调控根系发育和抗旱性展开研究，成功解析了一个新的信号调控模块TabZIP9-TaCEP15-TaCEPRL- TaSnRK1α。该模块整合了小麦对初生根长度的调控以及对干旱胁迫的响应过程，旨在为作物抗旱育种提供新的理论基础和基因资源。

小麦（Triticum aestivum L.）是全球重要的粮食作物，提供了约35%的世界粮食需求。然而，水资源短缺对小麦生产构成了严重威胁。根长已被证明是作物适应缺水环境的关键因素，因为深层根系能使植株更有效地吸收水分，从而增强植物在缺水环境中抵抗干旱的能力。植物多肽激素在调控植物生长发育和逆境响应中发挥着重要作用，尤其是C-terminally encoded peptides（CEPs）多肽家族，已被广泛证实参与植物生长发育的多个方面。然而，小麦中CEP多肽的功能及其分子机制尚不明确。因此，在小麦中研究植物多肽激素在调节根系发育及响应非生物胁迫的分子机制具有重要意义。

研究鉴定了一个在干旱胁迫下表达显著下调的CEP多肽基因TaCEP15（图1A）。通过功能研究发现，外源施加TaCEP15多肽能够显著抑制小麦初生根的长度（图1C）。与此一致的是，TaCEP15过表达材料表现出初生根长度的显著缩短，而TaCEP15敲除材料则表现出初生根长度的伸长（图1D）。由于初生根的发育与干旱响应密切相关，进一步研究发现：相较于野生型材料，TaCEP15过表达材料在苗期干旱胁迫后存活率显著降低；而敲除材料存活率显著升高（图1E）。成熟期进行干旱处理后，小麦的表型变化进一步验证了这一发现，TaCEP15通过抑制小麦初生根生长负调控小麦抗旱性。

图1 TaCEP15负调控小麦初生根生长及抗旱性

通过对一组受体样激酶的系统筛选，研究团队成功鉴定出TaCEPRL作为TaCEP15多肽的受体。AlphaFold 3结构预测和微量热泳动（MST）试验表明，TaCEP15与TaCEPRL之间存在特异性结合（图2A，B）。转基因试验表明，TaCEPRL突变体表现出初生根长度的显著增长，且对TaCEP15多肽的敏感性显著降低（图2C，D）。上述实验结果说明，TaCEPRL是TaCEP15的受体，在TaCEP15介导的信号传导通路中发挥重要作用，从而抑制小麦根系的生长发育。进一步研究发现，TaCEPRL敲除突变体在苗期与成熟期均表现出显著增强的抗旱能力。田间旱处理环境，TaCEPRL敲除突变体表现出比野生型更高的千粒重、叶绿素含量及水分利用效率（图3）。

图2 TaCEPRL与TaCEP15多肽互作以调控小麦初生根长度及抗旱性

图3 在田间旱处理条件下TaCEPRL敲除系抗旱性增强

为了阐明TaCEP15-TaCEPRL模块在初生根生长和干旱胁迫下的调控机制，研究发现TaCEPRL蛋白能与激酶TaSnRK1α互作，并通过磷酸化TaSnRK1α蛋白促进其降解，且TaCEP15多肽可增强这一过程。TaSnRK1α过表达材料初生根长度显著增加（图4A）。通过遗传分析发现，TaCEP15OE×TaSnRK1αOE幼苗初生根长度与TaSnRK1α超表达材料相似，表明TaSnRK1α在TaCEP15的下游发挥作用（图4C）。此外，TaSnRK1α过表达株系在干旱胁迫下幼苗存活率显著提高，成熟期抗旱性亦增强，证实TaSnRK1α是小麦初生根发育和抗旱性的正向调控因子（图4E）。

图4 TaSnRK1α正向调控小麦初生根长度及抗旱性

为了确定TaCEP15基因的上游调控因子，通过酵母单杂筛选，鉴定到转录因子TabZIP9与TaCEP15启动子结合并抑制TaCEP15基因的转录（图5A）。功能验证发现，TabZIP9过表达株系主根长度较野生型显著增加，幼苗期和成熟期旱处理后存活率均高于野生型。TabZIP9敲除株系主根长度缩短，干旱后存活率降低。表明TabZIP9通过调控初生根伸长从而提高抗旱性（图5）。

图5 TabZIP9通过结合TaCEP15启动子正向调控小麦初生根生长及抗旱性

通过单倍型分析发现，TaCEP15启动子-108 bp位置处的A/T自然变异为调控该基因表达的关键位点（图6B）。进一步EMSA和双荧光素酶实验证实，TabZIP9可显著降低TaCEP15的表达水平，其中TabZIP9对pTaCEP15-108A的结合亲和力更高，抑制作用更强（图6C-E）。表型关联分析进一步显示，携带pTaCEP15-108A的小麦种质主根长度显著大于携带pTaCEP15-108T的种质，印证该变异通过增强TabZIP9对TaCEP15的转录抑制能力，进而促进根系发育的分子机制（图6F）。基于此开发的KASP标记可精准区分pTaCEP15-108A/pTaCEP15-108T单倍型，为小麦抗旱育种提供实用工具（图6J）。

图6 TaCEP15单倍型分化及其地理分布

该研究发现TaCEP15多肽通过与受体TaCEPRL互作，增强TaCEPRL对TaSnRK1α的磷酸化能力，进而促进TaSnRK1α蛋白降解，最终抑制初生根伸长并降低耐旱性。TaCEP15启动子区T→A自然变异通过增强转录因子TabZIP9的结合亲和力，导致TaCEP15表达量降低，削弱TaCEPRL磷酸化TaSnRK1α的能力，从而提高TaSnRK1α蛋白稳定性；高丰度的TaSnRK1α最终促进初生根生长并增强耐旱性（图7）。

图7 TabZIP9-TaCEP15-TaCEPRL-TaSnRK1α信号通路调控初生根长度及抗旱性的分子机制

中国农业大学农学院小麦研究中心辛明明教授为该论文的通讯作者，博士研究生杨文为论文第一作者。中国农业大学孙其信院士、倪中福教授、彭惠茹教授、姚颖垠教授、胡兆荣教授、秦峰教授、宋文教授、青岛农业大学张玉梅教授和日本理化学研究所 Fuminori Takahashi 教授对该工作进行了指导和帮助；已毕业博士研究生李仁汉、冯曼 和 秦震 参与了该工作。本研究得到了中国国家自然科学基金（31922067、U22A20471）的支持。