【Plant Com】实用！冬小麦的EMS突变体库建立！

以下文章来源于Mol Plant植物科学 ，作者Jun Xiao

小麦是全球最重要的粮食作物之一，但由于基因组复杂、遗传操作困难，其功能基因组学和分子育种研究严重滞后于水稻、玉米等作物。突变体库在模式作物的功能基因组学研究中发挥了重要的作用，小麦研究者对可基因检索的小麦诱变突变体库有着迫切的现实需求。

2023年3月21日，中国科学院遗传与发育生物学研究所联合河北师范大学、北京大学、河北省农林科学研究院、鲁东大学和成都天成未来生物科技公司等，在Plant Communications杂志上在线发表了题为“Boosting wheat functional genomics via an indexed EMS mutant library of KN9204”的研究论文，建立并系统评价了冬小麦科农9204的EMS突变体库，提出了一种突变体库结合多维组学数据加速小麦功能基因挖掘与调控机制解析的研究策略。

https://doi.org/10.1016/j.xplc.2023.100593

科农9204中国北方的代表性冬小麦品种，农艺性状优良，系谱清楚，氮素利用效率高，拥有高质量参考基因组（存在1BL/1RS染色体易位）和大量转录组、表观基因组、QTL定位数据，是进行功能基因组研究和诱变育种改良的理想选择。该研究在科农9204中构建了包含2090个株系的EMS突变体库。科农9204突变体库在生育期、株型、穗型、叶型和种子性状可观察到高频率和广泛的表型变异（图1）。

图1 科农9204突变体库存在丰富的表型变异

通过靶向科农9204基因组的全外显子组探针对突变体库和野生型科农9204进行捕获测序，经过严格过滤后共保留了297万个SNP，其中97.26%的SNP是EMS-type突变，随机验证表明，超过95%的SNP是真实可靠的突变并保留在后代种子中。基因组中共有98.79%的编码基因发生突变，在99.41%的Triads中存在三个同源基因的全部突变，73.09%的Triads在至少一个同源基因中发生严重突变。平均每个株系有1383个EMS-type突变，整个诱变群体中每Kb有19.94个突变（图2）。

图2 突变体库DNA变异分析

具有明显发育表型变异的株系突变SNP数目与其他株系差不多，而突变基因数目（尤其是严重突变的基因）显着减少，表明这些肉眼可见的突变表型可能不是突变SNP的累积效应导致，而更可能是由于关键基因的突变。科农9204突变体库产生了很多产量和农艺性状相关关键基因的新等位基因变异，在黑麦来源的1BS区段也产生了大量突变，这些关键基因/区段的变异在拓宽种质资源和育种应用中具有重要潜力（图3）。

图3 新等位基因变异的鉴定

作者进行了小麦转录因子家族的全基因组鉴定，通过中等规模的苗期胁迫处理，系统地筛选出多个潜在影响小麦耐旱性或耐盐性的NAC转录因子。通过转录组测序并结合前期科农9204中已有的多维表观基因组学数据，对3个NAC转录因子参与小麦非生物胁迫耐受性的分子机制和潜在的靶基因进行了解析。结果表明，利用科农9204突变体库和科农9204背景下产生的多维组学数据，能够快速有效地进行基因功能研究，有助于研究DNA变异对基因表达、转录调控网络、潜在相互作用蛋白等的影响，有力推动小麦功能基因挖掘及调控机制解析研究（图4）。

图4 NAC转录因子响应干旱和盐胁迫的转录调控机制分析

作者构建了科农9204突变群体的变异检索数据库(http://kn9204.molbreeding.com/），以促进这些突变种质资源的可用性，用户可以通过数据库进行感兴趣基因的突变体检索与订购。该研究提供了一个基于科农9204的基因检索突变体文库，为冬小麦的基因鉴定和遗传操作提供了重要资源，其可以在小麦功能基因解析、新变异挖掘与育种改良、和调控机制解析等方面发挥重要作用。

中国科学院遗传与发育生物学研究所肖军研究员、贺飞研究员，河北师范大学刘西岗教授、李俊明教授为论文通讯作者，中国科学院遗传与发育生物学研究所助理研究员王冬至和李永鹏、博士研究生王豪杰和徐永欣、南京农业大学客座研究生杨一曼为本文第一作者。北京大学何跃辉教授和焦雨铃教授，中国科学院遗传与发育生物学研究所王磊研究员和林学磊助理研究员，鲁东大学崔法教授，河北省农林科学院生物技术与食品科学研究所郭秀林研究员，河北省农林科学院粮油作物研究所张颖君副研究员，河北师范大学郑淑芝教授、汤文强教授、周春江教授、郭毅教授，成都天成未来陈中旭和桂李暄、中国科学院遗传与发育生物学研究所研究生周雨馨和已毕业研究生周雨清参与了本工作。该研究得到了中国科学院战略重点项目(XDA24010204)、河北省自然科学基金项目(C2021205013)、全职引进高端人才研究项目(2020HBQZYC004)、国家自然科学基金(U22A6009)、中国科学院网络安全与信息研究计划项目(CAS-WX2021SF-0109)、国家重点研究与发展计划项目(2021YFD1201500)和中国博士后科学基金资助项目(2020M680742)的支持。

转自：“iPlants”微信公众号

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