植株株型是小麥重要農(nóng)藝性狀的綜合反映，對(duì)群體光合效率和小麥產(chǎn)量有決定性影響，也是小麥改良育種的重要目標(biāo)性狀。分蘗角度是影響植株株型的關(guān)鍵因素之一，合理的分蘗角度是理想株型的主要選擇性狀之一，獲得理想分蘗角度植株對(duì)選育高產(chǎn)小麥新品種具有重要意義。然而由于小麥的遺傳背景復(fù)雜，目前關(guān)于小麥分蘗角度相關(guān)的基因克隆及分子機(jī)制研究仍不清晰。

2022年9月，河南農(nóng)業(yè)大學(xué)陳鋒研究團(tuán)隊(duì)在Plant Biotechnology Journal上發(fā)表了題為“A HST1-like gene controlled tiller angle through regulating endogenous auxin in common wheat”的研究論文，該研究通過(guò)全基因組關(guān)聯(lián)分析(GWAS)和分離群體分組分析(BSA)，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)控制小麥分蘗角度的重要基因，并解析了其基因單倍型種類(lèi)及進(jìn)化方向，闡明了其通過(guò)參與生長(zhǎng)素信號(hào)通路控制小麥植株株型的分子機(jī)制，并揭示了其對(duì)小麥產(chǎn)量的影響潛力。

研究結(jié)果

1.普通小麥中基因的物理定位與鑒定

（1）根據(jù)小麥譜系、農(nóng)藝性狀等，選取349份小麥品系，使用660K SNP 芯片檢測(cè)其基因型，對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行GWAS分析，發(fā)現(xiàn)5A染色體（520-530 Mb)上存在1個(gè)與分蘗角度顯著相關(guān)的基因座。

（2）通過(guò)BSA混池分析法，從四倍體小麥EMS突變體文庫(kù)中選擇分蘗角度明顯改變的植株與野生型小麥雜交，在F代中，挑選極端株型和親本株系各10株，進(jìn)行分組檢測(cè)。通過(guò)660K SNP芯片檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)分蘗角度顯著關(guān)聯(lián)的位點(diǎn)與GWAS分析結(jié)果一致，定位于5A染色體的3.89-Mb區(qū)域，基于小麥基因組數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)現(xiàn)該區(qū)域存在43個(gè)已注釋基因。

（3）通過(guò)BSR-seq，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)43個(gè)基因中存在11個(gè)顯著差異表達(dá)基因，其中TraesCS5A02G316400有1個(gè)SNP位點(diǎn)，可導(dǎo)致在K2588中提前終止翻譯，該基因在WheatOmics數(shù)據(jù)庫(kù)中，被注釋為NAD依賴(lài)性脫乙酰酶HST1-like基因，其在水稻、玉米中的同源基因與植株株型有關(guān)，從而將其鎖定為目標(biāo)候選基因，命名為。

圖1 | 的物理定位與鑒定

2.?TaHST1L在小麥中的表達(dá)模式分析

（1）在煙草表皮細(xì)胞以及小麥原生質(zhì)體中的亞細(xì)胞定位實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)、細(xì)胞膜中均有定位；

（2）qRT-PCR發(fā)現(xiàn)在小麥全株中具有組織特異性表達(dá)，其中在莖節(jié)、葉枕中表達(dá)量最高，在根部、桿部表達(dá)量極低，其他部位表達(dá)量居中；說(shuō)明可能直接影響小麥植株株型的發(fā)育和維持。

（3）在小麥3個(gè)亞基因組中表達(dá)量不同，的表達(dá)明顯高于和。

3.?TaHST1L突變對(duì)四倍體小麥分蘗角度的影響

為了進(jìn)一步闡明對(duì)四倍體小麥分蘗角的影響，從EMS誘變的1368株四倍體小麥品種Kronos庫(kù)中篩選出基因突變株系，選擇K2588（aaBB）和K1242（AAbb）作為親本與野生型雜交，對(duì)比分析經(jīng)過(guò)兩輪回交后獲得的小麥植株的分蘗角度。發(fā)現(xiàn)與WT相比，和雙突變株系分蘗角度顯著變小，且突變株系分蘗角度明顯小于突變株系，雙突變株系分蘗角度最小，推測(cè)在六倍體小麥的三個(gè)同源基因中，可能對(duì)分蘗角度的調(diào)控作用最大。

圖2 | 突變對(duì)四倍體小麥分蘗角度的影響

4.?轉(zhuǎn)基因小麥分蘗角度的變化

為進(jìn)一步確認(rèn)對(duì)小麥分蘗角度的影響，選擇兩個(gè)品種小麥LX987（植株結(jié)構(gòu)緊湊）和Fielder（植株結(jié)構(gòu)相對(duì)松散），進(jìn)行過(guò)表達(dá)和沉默實(shí)驗(yàn)，結(jié)果進(jìn)一步證明在調(diào)控六倍體小麥分蘗角方面起著關(guān)鍵作用。

圖3 | 轉(zhuǎn)基因TaHST1L對(duì)小麥分蘗角度的影響

5.?通過(guò)與TaIAA17互作影響內(nèi)源性生長(zhǎng)素水平

為闡明調(diào)控小麥分蘗角的潛在機(jī)制，以全長(zhǎng)為誘餌，利用酵母雙雜交(Y2H)篩選小麥cDNA文庫(kù)中互作蛋白，其中候選互作蛋白中的TaIAA17被報(bào)道在水稻生長(zhǎng)素合成過(guò)程中起關(guān)鍵的負(fù)調(diào)控作用，引起研究者注意。進(jìn)一步通過(guò)Y2H和SFLC驗(yàn)證了兩者的相互作用，并通過(guò)在煙草葉片中共表達(dá)和TaIAA17以及WB檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)抑制TaIAA17表達(dá)(圖4A-C)。且發(fā)現(xiàn)TaIAA17-B1提前終止表達(dá)的小麥K798分蘗角度顯著大于野生型Kronos（圖4D-F)。

為進(jìn)一步分析是否通過(guò)影響小麥內(nèi)源生長(zhǎng)素合成通路來(lái)調(diào)控分蘗角度，對(duì)TaHST1L-OE和WT LX987植株的莖基部進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組學(xué)和代謝組學(xué)分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)143個(gè)DEGs中，46個(gè)與植物激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)，其中26個(gè)與IAA合成相關(guān)的基因在TaHST1L-OE植株中表達(dá)量顯著增加，尤其是TaAuxb9，上調(diào)表達(dá)80.3倍（圖4G)。代謝組學(xué)也在代謝水平上證明了TaHST1L-OE小麥中，與色氨酸代謝和生長(zhǎng)素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)代謝物顯著增加，其中IAA增加3.3倍（圖4H）。對(duì)過(guò)表達(dá)和敲除小麥的IAA含量鑒定，也發(fā)現(xiàn)TaHST1L-OE植株中IAA含量顯著高于野生型植株，而在RNAi植株中是相反趨勢(shì)（圖4I-J)。

圖4 | TaHST1L通過(guò)參與調(diào)控生長(zhǎng)素合成影響小麥分蘗角度

6.?啟動(dòng)子中242 bp的InDel影響了TaHST1L-A1的表達(dá)水平，改變了植株分蘗角

對(duì)243個(gè)中國(guó)小麥品種測(cè)序發(fā)現(xiàn)，TaHST1L-A1基因主要存在3種基因單倍型（如圖5A），進(jìn)一步通過(guò)表型對(duì)比研究、GUS活性檢測(cè)以及對(duì)轉(zhuǎn)基因水稻植株TaHST1L-A1b和TaHST1L-A1b（含自身啟動(dòng)子）的表達(dá)量檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，啟動(dòng)子上242 bp片段的插入極大地促進(jìn)了TaHST1L-A1的表達(dá)，從而改變了植株的分蘗角度。

圖5 | 啟動(dòng)子中242 bp的InDel對(duì)植株分蘗角的影響

7.?TaHST1L-A1b對(duì)小麥產(chǎn)量的潛在影響和進(jìn)化分析

本研究對(duì)TaHST1L-OE和突變株系的小麥產(chǎn)量進(jìn)行了測(cè)量，與WT組對(duì)比，發(fā)現(xiàn)TaHST1L-OE組小麥產(chǎn)量顯著增加，突變株系顯著下降（圖6A-B)。且發(fā)現(xiàn)不同測(cè)試環(huán)境下，TaHST1L-A1b對(duì)小麥分蘗數(shù)和產(chǎn)量提升影響高于TaHST1L-A1a。進(jìn)一步分析不同品種和亞種小麥中TaHST1L-A1等位基因占比，發(fā)現(xiàn)TaHST1L-A1b可能來(lái)源于野生二粒小麥，并在栽培二粒小麥和小麥中被人工馴化保留下來(lái)（圖6F)。

圖6?| 的物理定位與鑒定

研究結(jié)論

本研究通過(guò)正向遺傳學(xué)方法克隆到控制小麥分蘗角度的重要基因，并對(duì)其基因功能進(jìn)行了驗(yàn)證，對(duì)其作用機(jī)制在轉(zhuǎn)錄、蛋白、代謝水平進(jìn)行了解析，研究同時(shí)對(duì)該基因單倍型進(jìn)行了鑒定，并對(duì)其遺傳演化進(jìn)程進(jìn)行了追蹤。本研究進(jìn)一步加深了對(duì)小麥株型遺傳基礎(chǔ)的理解，為小麥株型改良、高產(chǎn)育種，提供了寶貴的基因資源和理論基礎(chǔ)。

河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院趙磊副教授、博士生鄭躍婷和王盈為論文的共同第一作者，陳鋒教授為本文通訊作者，王沙沙、張坤普、張寧和董中東參與了此項(xiàng)工作。本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、河南省重大科技專(zhuān)項(xiàng)、河南省科技攻關(guān)等項(xiàng)目的資助。

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