张学勇团队在小麦产量相关基因研究中取得新进展

 

      小麦产量的提升主要依赖于单产的提高。小麦籽粒中近70%为淀粉，淀粉合成可显著影响小麦千粒重（Thousand kernel weight，TKW）和产量。ADP-葡萄糖转运蛋白（BT1）介导的底物ADP-葡萄糖（ADP-glucose，ADPG）的跨膜转运是淀粉合成途径的重要限速步骤之一。此项研究对TaBT1基因的遗传效应进行解析，并探究其在小麦育种过程的选择历程，为小麦高产育种提供参考。
 

      研究人员首先利用同源克隆的方式获得TaBT1的三个同源基因，并将其定位于染色体6A、6B和6D上。对其表达方式进行探究，发现TaBT1主要在幼穗和发育的籽粒中表达，且花后10天籽粒中的表达量达到高峰，A基因组相对表达量最高，D组次之，B组最低。利用小麦叶片原生质体对TaBT1蛋白进行亚细胞定位，发现该蛋白定位于质体上。
 

      利用RNAi技术对TaBT1的遗传效应进行探究，花后10天时，三个小麦代表性阳性株系的表达量较野生型分别下降20.8%、50.3%和69.5%，其中有效分蘖数、小穗数及穗粒数未呈现显著变化，而籽粒明显变小（Fig. 1）。另外，转基因株系的淀粉粒组成发生了明显改变，淀粉粒排布松散（Fig. 2），总淀粉含量及A、B型淀粉粒的比例也发生了较为明显的变化（Fig. 3）。三个株系的TKW分别降低15.7%、31.1%和47.3%（P < 0.01）。以上研究表明TaBT1可通过调控小麦淀粉合成通路，显著影响TKW。

 

Fig. 1. 干扰TaBT1表达导致籽粒变小  

Fig. 2. 干扰株系中籽粒淀粉合成发生异常，A、B型淀粉粒的比例显著改变

  

Fig. 3. 随着干扰程度的加重，籽粒中B型淀粉粒的比例明显增加，总淀粉含量显著下降
 

      通过对TaBT1进行重测序，发现TaBT1-6A和TaBT1-6D均不存在多态性，TaBT1-6B编码区及调控区存在24处等位变异，可形成三种单倍型TaBT1-6B-Hap1、TaBT1-6B-Hap2和TaBT1-6B-Hap3。其中，Hap1和Hap2为与高TKW相关联的优异单倍型。分子标记CAPS-1664和InDel-2029可用于区分三种单倍型（Fig. 4）。

 Fig. 4. 单倍型及其跟踪标记的开发
 

       随后，研究人员构建次生材料，利用导入系对单倍型表型进行验证。结果表明，Hap1型株系平均TKW为50.6 g，显著高于Hap3型株系（45.3 g）（P < 0.05）；Hap1和Hap2型株系的平均相对表达量最高，分别为Hap3的4.3和2.7倍（P < 0.01）；β-葡萄糖苷酸酶活性分析发现Hap1和Hap2型启动子的驱动活性最高，分别为Hap2和Hap3的3.1和2.0倍（P < 0.01）（Fig. 5）。表明启动子区的变异可能引起基因表达的变化，进而造成单倍型之间的千粒重差异，且优异单倍型Hap1和Hap2型具有相对较高的启动子活性。

Fig. 5. 以GUS为标记的转基因研究表明单倍型之间的差异主要由启动子区的变异造成
 

      对TaBT1不同单倍型在育种过程中的选择进行分析，发现在由我国地方种到育成品种的演化过程中，优异单倍型Hap1和Hap2受到强烈的人工正向选择，且随着育种年代的推进，优异单倍型频率逐渐升高；全球六大小麦主产区中Hap1和Hap2的高频率分布表明育种过程中对高TKW的选择是全球性的（Fig. 6）。

Fig. 6. 全球小麦育种中对该基因进行了比较强烈的选择
 

      最后，研究人员对BT1在多倍化过程中的核苷酸多态性进行分析，发现在多倍化过程中BT1-6B的核苷酸多态性呈显著下降（πDI/πTE = 7.18, P < 0.05）；BT1-6B从栽培二粒到硬粒小麦的选择效应（πDM/πDR = 11.9）强于由野生二粒到栽培二粒的驯化效应（πDI/πDM = 1.3）。另外六倍体核苷酸多态性的变化表明育种过程也会导致BT1-6B多态性的降低，说明该基因在小麦进化过程中也受到选择，是小麦驯化选择的重要基因。
 

      2019年02月07日张学勇研究员团队在Journal of Experimental Botany杂志在线发表了这一研究成果（doi.org/10.1093/jxb/erz032），题目为“TaBT1 affecting starch synthesis and thousand kernel weight, underwent strong selection during wheat improvement”。中国农业科学院作物科学研究所王雅美博士为第一作者，张学勇研究员为通讯作者。该研究得到了国家重点研发专项计划（2016YFD0100302）、国家自然科学基金（31471492）、农业部国际合作项目（2016-X16）以及中国农业科学院科技创新工程的资助。
 

      PS: 再次感谢张老师的支持，同时也感谢雅美博士和金栋博士，第一时间将文稿写好推送过来！祝大家新的一年有新的收获！