PBJ | 中国农科院作物科学研究所小麦品质研究与新品种选育团队在小麦改良领域取得重大突破

近日，中国农科院作物科学研究所小麦品质研究与新品种选育团队系统鉴定了调控高分子量麦谷蛋白亚基基因Glu-1的转录因子，首次在小麦中建立了高效的DNA Pull-down结合液质联用（LC-MS）技术，为启动子结合转录因子的鉴定提供了一个重要工具，也为解析Glu-1转录调控机制提供了大量基因资源；同时该研究以转录因子TaB3-2A1为例进行了功能验证，明确了其不仅调控籽粒贮藏物质合成，而且对多个重要农艺性状也有影响，这为小麦改良提供了有用的基因和分子工具。相关研究成果在线发表在植物学领域知名期刊《Plant Biotechnology Journal》上。

高分子量麦谷蛋白亚基（HMW-GS）是贮藏蛋白（SSP）的主要组分，对小麦加工品质具有重要影响。HMW-GS基因Glu-1的胚乳特异性高表达主要受转录调控，是通过顺式元件和转录因子的互作实现的。前期我们鉴定了Glu-1启动子上的一个保守顺式作用区段CCRM1-1对胚乳特异性高表达至关重要，但是对与其结合的转录因子还知之甚少。本研究在小麦中建立一个高效的技术体系筛选到多个与CCRM-1结合的转录因子，并对其中一个转录因子进行了功能验证。

本研究首次在小麦中建立了DNA Pull-down结合LC-MS技术对CCRM1-1亲和的转录因子进行了筛选（图1）。我们成功鉴定到388个蛋白，其中转录调控相关蛋白118个，包括转录因子31个、转录因子伴侣蛋白34个、转录起始和延伸因子18个、表观修饰因子35个。在31个转录因子中，有10个B3家族转录因子、8个MYB类转录因子、4个NAC类转录因子、3个bHLH类转录因子、2个生长素响应因子ARF14和IAA10以及MADS、bZIP、WRKY、乙烯响应因子各1个。通过DNA motif分析初步明确了这些转录因子在CCRM1-1上可能结合的顺式元件。利用转录组数据库对这些转录因子的表达模式进行分析发现它们均在发育籽粒中表达。

图1. Glu-1启动子关键顺式调控模块CCRM1-1结合转录因子的高效鉴定

 图2转基因验证TaB3-2A1对籽粒储藏物质和主要农艺性状的影响

我们以转录因子TaB3-2A1为例验证这些转录因子对Glu-1的调控作用。小麦转基因显示TaB3-2A1过表达显著降低HMW-GS、低分子量麦谷蛋白亚基（LWM-GS）等SSP主要成分，但是增加籽粒淀粉含量（图2）。转录组数据分析显示TaB3-2A1过表达能够下调SSP各组分的基因表达，上调淀粉合成途径中关键酶基因，如TaAGPL3、TaAGPS2、TaGBSS1、TaSUS1、TaSUS5等。这些结果表明TaB3-2A1是一个维持碳氮平衡的整合调控因子。农艺性状考察显示TaB3-2A1过表达显著影响株高、抽穗期、千粒重等（图2）。

图3遗传效应分析TaB3-2A1主要单倍型对籽粒储藏物质及主要农艺性状的影响

利用基因组重测序数据鉴定了TaB3-2A1两种主要单倍型。遗传效应分析显示单倍型TaB3-2A1-Hap1品种比TaB3-2A1-Hap品种蛋白含量显著降低、抽穗显著延迟，但是淀粉含量有所增加，株高、粒重及产量也明显提高（图3）。单倍型TaB3-2A1-Hap1比TaB3-2A1-Hap2具有更高的分布频率，表明前者在育种受到了正向选择（图3）。

中国农科院作物科学研究所谢丽娜博士和刘思洋硕士为论文的共同第一作者，中国农科院作物科学研究所曹双河副研究员、张勇研究员及西北农林科技大学宋喜悦教授为本文的共同通讯作者，夏先春研究员和何中虎研究员也参与了此项研究。本研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划及中国农科院科技创新等项目的资助。

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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