河南农大陈锋团队鉴定到小麦粒长调控基因TaGL1-B1

近日，河南农业大学陈锋课题组在植物科学权威杂志Plant Biotechnology Journal(影响因子 13.263)在线发表题为“Identification of TaGL1-B1 gene controlling grain length through regulation of jasmonic acid in common wheat”研究论文。该研究为控制小麦粒长以提高小麦产量提供了研究基础，并为JA介导的小麦粒型调控分子机制提供了新的见解。

小麦是世界主要作物之一，小麦粒长是决定小麦产量的重要因素之一。挖掘与小麦粒长相关基因能够有效的提高小麦产量，解析小麦粒长形成的分子调控机制能够为小麦粒长的遗传改良提供理论研究基础和高效的基因资源。然而目前关于小麦粒长基因的克隆较为有限，分子机制与作用需要进一步深入挖掘和解析。

作者利用F10 高代UP_RIL群体进行QTL精细定位，定位到了一个能够稳定出现三年以上且位于1B染色体上的QTL位点Qgl1.hau.1B（1B:87.97-95.50Mb）。根据中国春基因组，发现该区间内共包含50个候选基因。结合UP双亲的重测序和Sanger测序结果，发现有43个基因具有多态性，并进一步将这些多态性位点开发为标记。为了进一步精细定位，作者用了4个侧翼标记在5000个F2材料中进行筛选，找到了1206个具有该Qgl1.hau.1B位点的单株并从中挑选300个具有极端表型（粒长最长和粒长最短）的材料进行进一步研究。除此之外，48具有粒长最长和48个粒长最短的系被选来用43个多态性标记进行基因分型，结果表明位于0.98Mb区间内的10个基因能够与粒长表型共分离，结合候选基因在籽粒中的表达量分析（Wheatomics database），发现只有TraesCS1B02G090300 （prolycopene isomerase，TaGL1-B1）在籽粒中高表达。对TaGL1-B1进行测序分析发现该基因在UP双亲间具有多处氨基酸以及启动子区段的变异，因此把该基因作为在Qgl1.hau.1B位点内的候选基因进一步深入研究。结合UP双亲间的DNA序列上97bp的差异，开发了一个能够区分双亲的标记（Ta90300），并在后代群体中验证了Ta90300的功能，发现该标记与小麦粒长完全连锁，进一步将Ta90300在UP_RIL群体以及243份自然群体进行QTL和GWAS分析（660K），发现Ta90300能够显著与粒长相关，以上研究结果确定了TaGL1-B1与小麦粒长显著相关。

为了进一步对TaGL1功能进行初步验证，作者在小麦EMS突变体库中筛选出了候选基因A亚组上具有提前终止类型（K2032和K3215）以及B亚组上具有可变剪切类型（K2309和K329）的四个突变体。通过与野生型回交纯合背景后进行表型鉴定，结果表明四个突变体均与野生型相比能够显著降低粒长和千粒重，但在粒宽上没有显著差异。进一步通过遗传转化获得候选基因的过表达植株进行功能互补验证，发现与野生型相比，过表达材料能够显著增加粒长和千粒重，但是粒宽没有显著差异。以上实验结果证明TaGL1能够正向调控粒长从而改变千粒重。

为了解析TaGL-B1调控小麦粒长的潜在作用机制，作者利用TaGL-B1进行酵母文库筛选互作蛋白，鉴定到了一个可能参与茉莉酸通路的关键基因TaPAP6（fibrillin_dom），并通过酵母实验和荧光素酶互补实验进行验证。原生质体定位发现TaGL-B1和TaPAP6基因均位于叶绿体内部。通过荧光定量对TaPAP6在TaGL-B1过表达材料中的表达量分析在发现其表达量大幅提高，说明TaGL-B1能够影响TaPAP6的表达水平。

对TaPAP6进行过表达并鉴定产量相关表型，发现与野生型相比过表达TaPAP6能够显著增加粒长和千粒重，但是不影响粒宽。该结果表明TaPAP6能够正向调控小麦粒长。

前人研究表明，TaPAP6能够参与JA通路并调控JA含量。作者对TaPAP6过表达植株进行转录组分析，结果表明3个JAR1类基因（合成茉莉氨基异亮氨酸降解JA）的表达量显著被抑制，5个与JA合成相关的基因表达量显著提高，荧光定量进一步验证了该结果。随后作者通过进一步对过表达和突变体材料进行了JA含量的测量，结果表明TaPAP6和TaGL-B1的过表达材料中JA含量显著提高，TaGL-B1突变体中JA含量显著降低。

依据前人研究结果表明小麦中JA含量与ABA含量是呈现负相关。为了验证这一结果，作者在TaPAP6过表达材料转录组结果中发现了两个ABA合成中的关键基因表达量显著下调。对TaPAP6和TaGL-B1的过表达材料的ABA含量进行测量，发现与野生型相比ABA含量显著降低，TaGL-B1突变体中，ABA含量显著上升。以上实验结果表明TaGL1可能是因为通过调控TaPAP6来影响小麦JA和ABA含量并提高小麦粒长。

由于TaGL-B1注释信息为类胡萝卜素异构酶，并且因为该酶能够在多种植物中参与调控类胡萝卜素含量。作者测量了UP群体以及243份自然群体的类胡萝卜含量，并进行遗传分析。结果表明TaGL-B1与类胡萝卜素含量显著相关。对过表达以及突变体材料进行类胡萝卜素含量测量，发现TaPAP6和TaGL-B1的过表达材料的类胡萝卜素含量显著提高，TaGL-B1突变体中显著降低。前人研究表明类胡萝卜素在植物光合作用方面发挥重要作用，作者对TaGL-B1突变体的叶绿素含量进行测量发现叶绿素含量显著降低，TaPAP6和TaGL-B1的过表达材料的叶绿素含量显著提高。以上研究结果表明TaGL-B1可能通过影响小麦类胡萝卜素含量参与调控小麦光合作用方面发挥重要作用。

为了进一步验证TaGL1-B1对小麦产量的影响，作者调查了TaGL1-B1过表达材料和突变体的田间产量，发现TaGL1-B1过表达材料产量在多个地点都能显著提高。并进一步在现代品种材料多年多点的实验中证实了TaGL1-B1能够显著提高小麦田间产量。

综合本文研究结果，作者提出了一个理论机制，即TaGL1-B1能够与TaPAP6互作并促进了TaPAP6的表达，导致JA的累积并提高了类胡萝卜素和叶绿素含量，从而影响了小麦粒长，提高了小麦产量。本研究为小麦产量聚合育种提供了新的基因资源和理论基础。

河南农业大学农学院博士研究生Mohsin Niaz（巴基斯坦籍）为论文的第一作者，陈锋教授为本文通讯作者，张灵然、吕国国、胡慧婷等研究生及孙丛苇、张宁、任妍老师参与了此项工作。本研究得到了国家自然科学基金、河南省重大科技专项、河南省科技攻关等项目的资助。

原文链接：

https://doi.org/10.1111/pbi.14009

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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