南京農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳與種質(zhì)創(chuàng)新國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室小麥遺傳育種創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)克隆新疆小麥基因

　　5月26日，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳與種質(zhì)創(chuàng)新國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室小麥遺傳育種創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)在分子植物雜志（Molecular Plant）發(fā)表了“A natural variation of an SVP MADS-box transcription factor in Triticumpetropavlovskyi leads to its ectopic expression and contributes to elongated glume”的文章，該研究利用圖位克隆策略，克隆了我國(guó)特有種質(zhì)，新疆小麥（又稱新疆稻穗麥、新疆稻麥子）控制長(zhǎng)穎/長(zhǎng)粒的P1基因，該基因編碼SVP類型的MADS轉(zhuǎn)錄因子TaVRT-A2，由于進(jìn)化過(guò)程中TaVRT-A2第一內(nèi)含子內(nèi)部發(fā)生了序列插入/缺失變異，引發(fā)新疆小麥TaVRT-A2表達(dá)變化，從而導(dǎo)致其長(zhǎng)穎/長(zhǎng)粒的表型。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)小麥研究中心主持完成、題為“Ectopic expression of VRT-A2 Underlies the Origin of Triticum polonicum and T. petropavlovskyi  with Long Outer Glume and Grain”的論文，同日在Molecular Plant發(fā)表。兩篇文章都關(guān)注我國(guó)的特有六倍體小麥-新疆小麥，研究結(jié)果互相驗(yàn)證。

 

　　新疆小麥?zhǔn)巧鲜兰o(jì)50年代在南疆的阿克蘇-庫(kù)爾勒一帶發(fā)現(xiàn)的我國(guó)新疆地區(qū)特有的六倍體小麥（AABBDD）資源，其穗部形態(tài)與普通小麥有明顯差異，具有護(hù)穎和外穎長(zhǎng)、大穗且長(zhǎng)、葉寬大、粒長(zhǎng)等獨(dú)特的特征，在分類學(xué)上被劃分為一個(gè)獨(dú)立的亞種（Triticumpetropavlovskyi），1979年董玉琛院士將其命名為新疆小麥。

 

　　早在上世紀(jì)80年代，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)細(xì)胞遺傳所劉大鈞院士帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，利用端體測(cè)交等經(jīng)典細(xì)胞遺傳學(xué)技術(shù)，初步探索了新疆小麥的起源與演化途徑，推測(cè)波蘭小麥（T. polonicum，AABB）參了新疆小麥形成（齊莉莉等，1994）；利用SSR分子標(biāo)記分析，發(fā)現(xiàn)新疆小麥與本地波蘭小麥的遺傳距離最近，也支持波蘭小麥參與新疆小麥形成的結(jié)論（王海燕等，2007）。

 

　　為發(fā)掘和利用新疆小麥的優(yōu)良基因，該研究利用構(gòu)建的重組自交系（RIL）群體和染色體片段（代換系）CSSL群體，利用小麥55K SNP芯片分子標(biāo)記構(gòu)建高分辨率遺傳圖譜，定位了長(zhǎng)穎、長(zhǎng)穗等新疆小麥的特有性狀位點(diǎn)；次級(jí)分離群體、交換單株篩選、轉(zhuǎn)錄組測(cè)序和突變體創(chuàng)制結(jié)合，精細(xì)定位P1基因并確定SVP類型的MADS-box基因TaVRT-A2是唯一的候選基因（圖1，圖2）。

 

　　序列比較發(fā)現(xiàn)，正常穎長(zhǎng)小麥品種中國(guó)春TaVRT-A2第一內(nèi)含子中的一段560bp序列在新疆小麥中缺失，取而代之是一段157bp序列，該插入缺失（Indel）標(biāo)記的157bp帶型與長(zhǎng)穎性狀共分離；正常穎長(zhǎng)小麥品種中過(guò)量表達(dá)TaVRT2顯著增加了護(hù)穎和外穎長(zhǎng)度，且伸長(zhǎng)幅度與轉(zhuǎn)基因的表達(dá)水平呈正相關(guān)（圖3）。正常穎長(zhǎng)的小麥品種，TaVRT-A2在幼苗期表達(dá)正常，而穗部表達(dá)水平極低，推測(cè)第一內(nèi)含子的560bp序列可能與TaVRT-A2低表達(dá)調(diào)控有關(guān)，但這種低表達(dá)模式與560bp甲基化修飾無(wú)關(guān)，可能與560bp序列中保守存在的兩個(gè)轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合基序有關(guān)（圖4），其可能作為沉默子調(diào)控TaVRT-A2表達(dá)。近等基因系和突變體分析表明，P1可以增加穗長(zhǎng)、粒長(zhǎng)和千粒重等產(chǎn)量性狀，但增加不育小穗數(shù)和減少總小穗數(shù)（圖5），克隆該基因解析其作用機(jī)制，有望通過(guò)優(yōu)化其表達(dá)水平提高作物產(chǎn)量。

　　圖3 在Fielder中過(guò)量表達(dá)TaVRT-A2顯著增加了護(hù)穎和外穎的長(zhǎng)度

　　圖4 TaVRT-A2內(nèi)含子1的560bp序列中兩個(gè)保守的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合基序可能作為沉默子調(diào)控該基因表達(dá)

　　圖5 攜帶P1的CSSL系LZP87和揚(yáng)麥158穗部性狀比較

 

　　Liu et al.（2021）和Adamski et al.（2021）發(fā)現(xiàn)，四倍體波蘭小麥長(zhǎng)穎性狀也由TaVRT-A2基因控制。本研究克隆了17個(gè)不同波蘭小麥品系中的TaVRT-A2，比較發(fā)現(xiàn)其序列完全相同且均為157bp類型。證明新疆小麥的形成與波蘭小麥有關(guān)，其P1基因可能來(lái)源于由普通小麥與波蘭小麥雜交后代。

 

　　王秀娥教授和王海燕教授為該文的共同通訊作者、肖進(jìn)副教授、博士研究生陳妍和碩士研究生盧一帆為共同第一作者，張文利教授參與了本研究。該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)和國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目資助。