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成都生物所定位新的小麦穗发育调控基因
发表日期: 2022-06-15 作者: 张镌钰 文章来源:
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 小麦(Triticum aestivum L.)是世界上最重要的粮食作物之一,随着世界人口增多、耕地面积减少以及气候不断变化,提升小麦产量仍然是育种的重要目标。小麦穗主要由附着于穗轴两侧交替互生的小穗构成。小穗进一步分化成数目不定的小花,其中3-5朵小花能最终形成籽粒。因此,小麦穗型的发育与籽粒产量密切相关。挖掘小麦穗型发育的关键调控基因,解析其作用的分子网络对于通过分子设计优化穗型,提高小麦产量潜力具有重要的理论意义与应用价值。 

 穗发育突变体是研究小麦穗型调控机制的优异材料。超数小穗(supernumerary spikelets)是一种在一个穗节点着生额外小穗的穗型变异,主要包括四种类型,分别为分枝穗、多棱穗、平行小穗以及复生小穗(Paired spikelet, PS)。本研究在自育小麦品种科成麦1号(K1)的EMS诱变群体中发现了一个具有复生小穗表型的突变体,其特点为在一个穗节处着生两个小穗,命名为wps1wheat paired spikelets 1)。表型鉴定结果显示,该突变体的可育小穗数和穗粒数均显著高于野生型。通过幼穗观察发现,wps1次小穗的发育晚于主小穗,花序分生组织的活性可能发生变化。 

 

  1  wps1K1穗形态比较 

 遗传分析表明wps1中复生小穗表型受到一个显性核基因控制,命名为WPS1WHEAT PAIRED SPIKELET 1)。利用BSR分析法,结合分子标记技术构建遗传连锁图谱和物理图谱,将WPS1定位在1D染色体208.18~220.92Mb之间。该位点附近尚无穗发育相关基因报道,是一个新的基因位点。利用中国春参考基因组序列及重测序数据和转录组测序数据,对该区间内的基因变异及表达水平进行分析,最终锁定一个候选基因TraesCS1D02G155200。在wps1中,该基因发生一个非同义突变,且表达量显著升高。TraesCS1D02G155200编码一个HD-ZIP Ⅲ家族的转录因子,与拟南芥REV和水稻OsHB2同源,具有一段与miRNA165/166结合的序列。wps1该基因的变异恰好处于与miRNA165/166结合区域。因此推测,wps1中该位点突变,阻碍了miRNA165/166TraesCS1D02G155200转录本的结合和降解,导致表达量提高,进而产生复生小穗表型 

 

 

  2  wps1的遗传解析 

 为初步解析wps1中复生小穗形成的转录调控网络,我们对K1wps1的幼穗转录组数据进行了挖掘,结果发现生长素合成、稳态维持和信号转导相关的基因在wps1中表达量显著上调,暗示复生小穗表型的发生可能受到生长素信号的调控。前人研究报道了Ppd-1Photoperiod-1)、TB1Teosinte Branched 1)能够通过调控开花基因FTFLOWERING LOCUS T)进而影响下游基因VRN1VERNALIZATION 1)的表达,从而影响开花和复生小穗表型的发生。拟南芥中的节律基因LHYLATE ELONGATED HYPOCOTYL)也能够通过调控FT1的表达影响开花。转录组数据表明,在突变体中,Ppd-1FT1VRN1以及LHY的表达量下调,TB1表达量上调,这与前人的报道一致,表明上述基因可能共同参与了wps1中复生小穗的形成。 

 

  3  候选基因分析 

 

  4  生长素相关基因表达水平比较 

 综上,本研究鉴定到一个新的控制小麦穗发育的基因位点及其候选基因,为后续基因克隆、功能验证及分子机制研究奠定了基础。以上研究结果以Genetic and transcriptomic dissection of an artificially induced paired spikelets mutant of wheat (Triticum aestivum L.)为题于近日在农林科学一区Top期刊Theoretical and Applied Genetics上在线发表。中国科学院成都生物研究所硕士研究生张镌钰为文章的第一作者,中国科学院成都生物研究所龙海副研究员为通讯作者。本研究受到四川省重点研发计划(2021YFYZ00272020YFSY0049, 四川省作物育种攻关(2021YFYZ0002)和国家重点研发计划(2016YFD0100102)资助。 

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