普通小麥粒重相關(guān)基因克隆的研究進展

呂廣德，孫憲印，亓?xí)岳?，?超，王瑞霞，孫盈盈，牟秋煥，米 勇，錢兆國，吳 科

(泰安市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，山東泰安 271000)

普通小麥粒重相關(guān)基因克隆的研究進展

呂廣德，孫憲印，亓?xí)岳伲?超，王瑞霞，孫盈盈，牟秋煥，米 勇，錢兆國，吳 科

(泰安市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，山東泰安 271000)

隨著分子生物學(xué)特別是生物信息學(xué)和基因組學(xué)的發(fā)展，小麥粒重相關(guān)基因的克隆也取得了很大進展。本文主要介紹了與小麥粒重有關(guān)的 TaGS5、 TaGASR7、 TaSus、 TaWSC、 Ta-6-SFT、 TaGW2、 (TaCKX、) TaTGW6、 TaCWI、 TaGS1基因以及TEF、SAP等家族基因 TaTEF、 TaSAP、 TaSnRK2s的克隆及其功能研究的進展，以期為小麥高產(chǎn)育種提供參考。

普通小麥；粒重相關(guān)基因；克隆

小麥作為重要的糧食作物，和水稻、玉米一起提供了人類50%的能量。隨著全球人口增長，預(yù)計到2020年對小麥的需求量將增加40%[1]。小麥產(chǎn)量要素包括穗粒數(shù)、穗數(shù)和千粒重，其中，千粒重的遺傳力較高，證明其是最穩(wěn)定的產(chǎn)量構(gòu)成要素[2]。小麥粒重與籽粒大小、形狀呈正相關(guān)關(guān)系，而籽粒形狀是由粒長、粒寬、籽粒長寬比和粒厚共同組成[3]。小麥粒重受很多帶有加性效應(yīng)和上位性效應(yīng)的基因所控制，也受環(huán)境因素的影響[3]?？刂谱蚜４笮『椭亓康膹?fù)雜遺傳因素促使了小麥染色體上粒重相關(guān)基因/QTLs的發(fā)現(xiàn)。為了更好地將產(chǎn)量相關(guān)基因應(yīng)用于小麥分子育種中，小麥粒重基因克隆的研究一直是人們研究的熱點和重點。近年來，隨著分子生物學(xué)特別是生物信息學(xué)和基因組學(xué)的發(fā)展，小麥粒重相關(guān)基因的克隆取得了很大進展。在本文中，我們對當(dāng)前已克隆的與粒重有關(guān)的基因加以闡述，以期為小麥高產(chǎn)育種提供參考。

1 小麥籽粒大小和重量的遺傳研究進展

小麥的馴化是在10 000年以前開始的，其和其他農(nóng)作物最重要的區(qū)別之一是籽粒大小和重量的改變[3]。籽粒大小(粒長、粒寬、粒厚、籽粒密度等)是小麥產(chǎn)量因素中的一個重要組成部分，較大的籽粒不僅和產(chǎn)量有直接關(guān)系，也對籽粒活力和早期生長有非常大的影響，從而促進和穩(wěn)定小麥本身的生產(chǎn)能力。幾何模型顯示，籽粒形狀、大小的改變能使面粉產(chǎn)量增加5%左右[4]。籽粒的長度、寬度、厚度和籽粒密度等性狀也是小麥形態(tài)品質(zhì)檢測的重要指標(biāo)[5]。在小麥育種過程中，較大的籽粒被千粒重所代表，千粒重的遺傳力較高證明其是最穩(wěn)定的產(chǎn)量構(gòu)成要素[2]。在小麥產(chǎn)量的構(gòu)成要素中，千粒重的增加是相對獨立的。Breseghello等[6-7]對S×O、R×G兩個作圖群體研究發(fā)現(xiàn)，小麥產(chǎn)量與籽粒寬/長之比存在極顯著相關(guān)關(guān)系，而與籽粒厚/長之比無顯著相關(guān)關(guān)系；而粒型的各指標(biāo)間緊密相關(guān)，其中，千粒重與籽粒體積的相關(guān)性最高(r=0.95和0.91)，粒長與粒寬的相關(guān)性卻不大(r=0.30和0.22)，表明兩者在遺傳上是相對獨立的性狀。王瑞霞等[8]對粒型各性狀間的相關(guān)性進行研究表明，不同性狀間的相關(guān)關(guān)系都達到了(極)顯著水平，其中，籽粒體積和粒重的相關(guān)系數(shù)最高，而粒長和粒寬、粒厚的相關(guān)系數(shù)相對較低。Sun等[9]把密切相關(guān)的粒型和粒重性狀一起進行分析表明，粒長與籽寬、粒重呈顯著正相關(guān)，粒長與容重呈為負相關(guān)，其中，籽粒寬度和粒重的相關(guān)度最高，但與籽粒容重關(guān)系不大，而粒重與籽粒容重呈正相關(guān)關(guān)系。Gegas等[3]對6個DH群體中粒型各性狀進行研究發(fā)現(xiàn)，千粒重與籽粒體積、粒寬和籽粒密度都存在極顯著正相關(guān)關(guān)系(r≥0.75，P<0.001)，但與粒長的相關(guān)性較弱(r≥0.23，P<0.001)。

2 粒重相關(guān)基因克隆的研究進展

2.1 TaGS5基因的克隆

籽粒大小是粒重的重要組成部分。在水稻中研究表明， OsGS5通過促進細胞分裂來調(diào)控籽粒大小和重量。Wang等[10]利用電子克隆技術(shù)在六倍體小麥中克隆了TaGS5基因并將其定位在3AS和3DS染色體上,通過對該基因的序列分析發(fā)現(xiàn) TaGS5-A1基因的第六外顯子有一個SNP位點。與農(nóng)藝性狀的關(guān)聯(lián)分析結(jié)果顯示，等位基因 TaGS5-A1a在株高、穗長、穗下節(jié)間長、籽粒長寬比等性狀上比等位基因 TaGS5-A1b的表達水平高，而在千粒重、粒寬方面， TaGS5-A1b的貢獻更高[10]。另外， TaGS5-A1的表達分析表明，在籽粒發(fā)育的不同階段， TaGS5-A1b比 TaGS5-A1a的表達水平高[2]。Ma等[11]在3A/3B/3D染色體上也克隆到了 TaGS5基因，單倍型分析以及轉(zhuǎn)基因試驗分析結(jié)果顯示， TaGS5-3A對籽粒大小是正向調(diào)控的，優(yōu)異等位基因 TaGS5-3A-T對小麥高產(chǎn)育種起到一個積極地推動作用。

2.2 TaGASR7基因的克隆

在高等植物中， GASR7(gibberelinacid stimulated related 7)基因是赤霉素調(diào)控基因家族中的一員。在水稻和小麥中，該基因與籽粒長度密切關(guān)聯(lián)。Ling等[12]對烏拉爾圖小麥的全基因組草圖繪制過程中發(fā)現(xiàn)一個赤霉素調(diào)控基因，并命名為 TaGASR7，該基因與水稻中的赤霉素調(diào)控基因 OsGASR7同源。Dong等[13]在小麥中克隆了三個 GASR7同源基因，分別命名為 TaGASR7-A1、 TaGASR7-B1、 TaGASR7-D1。在 TaGASR7-A1中，單倍型 H1C比 H1G對粒長的貢獻大。Kumar等[14]研究發(fā)現(xiàn)，小麥粒長和粒寬在遺傳上是相對獨立的，在其構(gòu)建的ND705×PI414566重組自交系群體中共檢測到29個與粒型和籽粒大小有關(guān)的QTL，其中 QTL-27與 TaGASR7基因的位置一致，均位于7AL染色體上。 TaGASR7基因可能對小麥的籽粒發(fā)育和籽粒大小等性狀具有重要作用[14]。

2.3 TaSus基因的克隆

小麥開花期和成熟期的籽粒灌漿機制決定著籽粒最后的重量，籽粒灌漿整個過程包含三個生理進程，分別是干物質(zhì)的積累、水分積累和干燥、籽粒形態(tài)膨脹。其中，干物質(zhì)包括淀粉、蛋白質(zhì)以及其他的營養(yǎng)成分，而淀粉占籽粒沉淀物重量的70%[4]。Hou等[15]克隆得到小麥蔗糖合成酶(sucrose synthesis, Sus)基因 TaSus1和 TaSus2(分別位于7A/7B/7D和2A/2B/2D染色體)，通過對基因單倍型和千粒重的關(guān)聯(lián)分析共檢測到4個與千粒重關(guān)聯(lián)密切的單倍型，分別是 TaSus2-2A(Hap-A)、 TaSus2-2B( TaSus2-2B-Hap-H)、 TaSus1-7A(Hap-1和Hap-2)和 TaSus1-7B(Hap-T)。 TaSAP1是一個與非生物脅迫有關(guān)的蛋白。Chang等[16]發(fā)現(xiàn)編碼該蛋白的基因位于7A染色體上，與千粒重、穗粒數(shù)、穗下節(jié)長、穗長、小穗數(shù)顯著關(guān)聯(lián)。Mohler等[17]研究發(fā)現(xiàn)， TaSus1-7A與 TaSAP-A1緊密連鎖，并與位于該染色體上控制粒寬和粒長的QTL緊密連鎖。

2.4 TaWSC基因的克隆

小麥營養(yǎng)器官中暫貯存性可溶性碳水化合物(water soluble carbohydrates，WSC)是維系其生存和產(chǎn)量形成的重要代謝物質(zhì)，WSC積累轉(zhuǎn)運是被微效多基因所控制[18-21]，不僅通過滲透調(diào)節(jié)來緩沖逆境脅迫對小麥的傷害，而且也是小麥籽粒灌漿所需的重要碳源。小麥生育后期營養(yǎng)器官WSC向籽粒的高效轉(zhuǎn)運和再分配對小麥產(chǎn)量形成和粒重增加至關(guān)重要[19]。研究者利用不同遺傳背景材料和遺傳圖譜，對小麥WSC積累轉(zhuǎn)運相關(guān)性狀進行了QTL定位和遺傳分析。Zhang等[22]研究表明，與WSC關(guān)聯(lián)的QTL位于1A、2D、4A、4B、5D、6B、7B和7D染色體上。Yang等[23]發(fā)現(xiàn)了20個與莖稈WSC積累轉(zhuǎn)運相關(guān)的QTL，其中，9個QTL具有增效效應(yīng)，位于1A、1D、2D、7A、7B和7D染色體上；11個QTL具有減效效應(yīng)，位于1A、2A、2D、3B、4A、5A、6B和7B染色體上。Fu等[23]定位了13個控制籽粒4種可溶性糖含量的加性QTL，位于1B、1D、2B、2D、3B、4A、4B、5A、5D、6B和7B等11條染色體上，可解釋4.97%～53.57%的表型變異。Zhang等[22]鑒定到了對千粒重正向調(diào)控的WSC等位基因位點，分別是 Xcfd17-2D223、Xcfd53-2D263、Xgwm181-3B140、Xgwm181-3B161、Xgwm389-3B116、Xbarc125-3D147、Xgwm358-5D162和 Xgwm537-7B205。Li等[24]在16個WSC優(yōu)異等位基因中檢測出5個單獨對千粒重有貢獻的位點，分別是 Xgwm181-3B187、Xgwm148-2B165、Xgwm261-2D203、Xgwm149-4B153和 Xgwm358-5D162。通過對WSC等位基因位點的遺傳研究，莖稈中的WSC的含量已經(jīng)是小麥育種的一個選擇標(biāo)準(zhǔn)，WSC優(yōu)異等位基因的標(biāo)記輔助選擇對小麥育種將起到很大的促進作用。

2.5 Ta-6-SFT基因的克隆

在高等植物中，果聚糖是一種重要的儲藏性可溶性碳水化合物，6-SFT (sucrose:fructan 6-fructosyltransferase)是果聚糖合成過程中的關(guān)鍵酶之一。Kawakami等[25]在普通小麥中克隆到了 6-SFT基因(又名 wft1)。Yue等[26]在 6-SFT-A2基因中檢測到13個SNP/InDel位點，該基因分成三個單倍型( HapⅠ、 HapⅡ和 HapⅢ)，通過對 6-SFT基因的核苷酸序列差異性分析和SNP與小麥農(nóng)藝性狀的關(guān)聯(lián)分析， HapⅢ的千粒重比 HapⅠ、 HapⅡ的千粒重要高，單倍型 HapⅢ能顯著提高小麥粒重，含有該位點的等位基因在提高粒重方面應(yīng)該是一個優(yōu)異等位基因。

2.6 TaGW2基因的克隆

宿振起等[27]根據(jù)水稻中的粒寬基因 OsGW2，在普通小麥中克隆到 TaGW2基因，該基因位于小麥第6同源染色體上，編碼具有E3泛素連接酶功能的蛋白質(zhì)。根據(jù)大粒型和小粒型 TaGW2-6A等位基因在啟動子區(qū)的序列差異，開發(fā)了CAPS標(biāo)記，關(guān)聯(lián)分析結(jié)果顯示， TaGW2-6A主要影響小麥粒寬和粒重，大粒型等位變異 Hap-6A-A使小麥粒重增加3.1 g[27]。Huang等[28-29]在小麥6AS的 Xgwm786和 Xbarc146位點檢測到影響小麥千粒重的QTL，該QTL與 TaGW2-6A在染色體上處同一位點區(qū)域。Sun等[9]利用重組自交系群體在小麥6AS的 TaGW2-6A位點附近檢測到了影響小麥粒寬和千粒重的QTL。Sun等[30]在小麥的6AS與 TaGW2-6A共定位的位點區(qū)同樣檢測到了影響小麥籽粒粒寬和千粒重的QTL，通過遺傳圖譜定位顯示， TaGW2-6A等位基因與以往檢測到的小麥染色體上的控制粒寬及千粒重的位點相吻合。通過比較定位結(jié)果進一步證明了 TaGW2-6A對小麥粒寬及千粒重的調(diào)控功能。Jaiswal等[31]對 TaGW2-6A的啟動子區(qū)域進行序列差異性分析，在其研究鑒定的5個單倍型中， Hap5和 Hap2比其他的單倍型對粒重有更顯著地影響。Qin等[32]對 TaGW2-6B的單倍型與農(nóng)藝性狀的關(guān)聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)， TaGW2-6B對千粒重的影響比 TaGW2-6A更顯著，在增加粒寬和粒重方面， Hap-6B-1是一個優(yōu)異的等位基因。另外，通過對 TaGW2-6A和 TaGW2-6B的單倍型相互作用分析發(fā)現(xiàn)，優(yōu)異單倍型組合 Hap-6A-A/Hap-6B-1對粒重的增加更顯著[32]。最近研究發(fā)現(xiàn)， TaGW2-6A與粒寬是負相關(guān)的關(guān)系，但是在同一個小麥品種中， TaGW2-6B和 TaGW2-6D的轉(zhuǎn)錄水平對粒寬存在正向效應(yīng)， TaGW2的三個同源基因在籽粒發(fā)育過程中可能有不同的功能，可能是三個基因的平衡作用最終影響籽粒的大小[33]。

2.7 TaCKX基因的克隆

細胞分裂素(cytokinin，CK)是一個通過調(diào)控胚乳細胞數(shù)量以及調(diào)節(jié)籽粒灌漿模式來控制小麥籽粒大小和籽粒重量的關(guān)鍵激素。細胞分裂素氧化/脫氫酶(cytokinin oxidase/dehydrogenase, CKX)是降解細胞分裂素的主要酶類，因此，深入了解CKX在植物生長發(fā)育及形態(tài)建成等過程中的作用機理，對作物產(chǎn)量、抗性等農(nóng)藝性狀的改良有重要的現(xiàn)實意義。Zhang等[34]在普通小麥中利用同源克隆方法克隆了 TaCKX5基因，并將其定位在3A/3B/3D染色體上。Zhang等[35]根據(jù)水稻 OsCKX2基因在小麥中克隆到 TaCKX6-D1，根據(jù)遺傳連鎖圖譜分析、關(guān)聯(lián)分析以及表達分析發(fā)現(xiàn)，該基因單倍型 TaCKX6-D1a與粒重有顯著關(guān)聯(lián)。Chang等[36]在普通小麥中也克隆得到CKX基因，其中， TaCKX1和 TaCKX4定位在3A染色體上， TaCKX2定位在7A和7B染色體上，而 TaCKX2.1、 TaCKX2.2、 TaCKX3、 TaCKX5和 TaCKX6定位在3DS染色體上。Lu等[37]對RIL群體研究顯示，在不同的環(huán)境條件下，等位變異 TaCKX6a02與籽粒大小、粒重和籽粒灌漿速率有顯著的關(guān)聯(lián)，解釋了17.1%～38.2%的表型變異；同時，開發(fā)了一個特異標(biāo)記TKX3D，用來對籽粒大小、粒重和籽粒灌漿速率等性狀進行標(biāo)記輔助選擇。Chang等[36]還對灌漿期旗葉葉綠素含量和粒重等性狀與CKX基因進行關(guān)聯(lián)分析，結(jié)果顯示， TaCKX4與葉綠素含量和粒重顯著關(guān)聯(lián)，通過遺傳圖譜分析， TaCKX4基因與3AL染色體上的分子標(biāo)記Xwmc169緊密連鎖，該標(biāo)記與很多控制粒重和授粉后5～15 d旗葉中葉綠素含量的QTL共分離，這些QTL能解釋這兩種性狀8.9%～22.3%的表型變異。另外，該研究也發(fā)現(xiàn) TaCKX4基因的拷貝數(shù)變化能顯著影響小麥粒重和葉綠素含量[36]。

2.8 TaTGW6基因的克隆

TGW6基因編碼一個全新的IAA-葡萄糖水解酶，可顯著提高水稻粒重和產(chǎn)量。Hanif等[38]在小麥3AL染色體上克隆到 TaTGW6-A1基因，并利用開發(fā)出的功能標(biāo)記 TaTGW6-A1-CAPS鑒定該基因與千粒重和產(chǎn)量的關(guān)系，對產(chǎn)量性狀QTL分析發(fā)現(xiàn)，該基因位點能解釋17.4%的產(chǎn)量性狀變異；兩個單倍型( TaTGW6-A1a和 TaTGW6-A1b)中， TaTGW6-A1a比 TaTGW6-A1b有更高的粒重和產(chǎn)量，說明 TaTGW6-A1a是一個優(yōu)異的等位基因，在小麥育種過程中可對產(chǎn)量性狀進行標(biāo)記輔助選擇。

2.9 TaCWI基因的克隆

CWI基因主要參與蔗糖的分配、控制細胞的分化、庫器官的建立及籽粒的發(fā)育等過程，是庫器官形成中決定庫強的一個最關(guān)鍵酶，并最終影響作物的產(chǎn)量。Ma等[39]克隆了普通小麥 2A 染色體上的細胞壁轉(zhuǎn)化酶基因 TaCwi-A1的全長編碼序列，并根據(jù)其等位變異 TaCwi-A1a和 TaCwi-A1b在第4內(nèi)含子2 727 bp處的SNP差異開發(fā)了一對互補顯性功能標(biāo)記CWI22和CWI21。韓利明等[40]利用標(biāo)記CWI22和CWI21對來自21個國家的745份小麥品種進行檢測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，CWI22和CWI21能很好地區(qū)分等位變異 TaCwi-A1a和 TaCwi-A1b。Ma等[39]通過遺傳連鎖分析把 TaCwi-A1定位在2AL上，與其共分離的主效QTL能夠解釋4.8%的千粒重變異。通過對千粒重進一步檢測發(fā)現(xiàn)，CWI22擴增的402 bp條帶與高粒重關(guān)聯(lián)，CWI21所擴增的404 bp條帶與低粒重關(guān)聯(lián)。Jiang等[41]在4A/5B/5D染色體上也能克隆到 TaCWI基因，其中， TaCWI-4A的啟動子區(qū)域有2個SNP位點， TaCWI-5D基因中有4個SNP位點和兩個Indels位點，最終根據(jù)這兩個基因的差異區(qū)域開發(fā)了兩個CAPS標(biāo)記CAPS4A和CAPS5D；利用這兩個CAPS標(biāo)記對378份小麥品種分析發(fā)現(xiàn)， TaCWI-5D中的單倍型 Hap-5D-C與高粒重有顯著關(guān)聯(lián)。Jiang等[41]研究還發(fā)現(xiàn)，在干旱區(qū)域，Hap-4A-C可以產(chǎn)生更多的種子，但是在水澆地區(qū)域，Hap-4A-T可以產(chǎn)生更高的粒重，是更優(yōu)異的單倍型。

2.10 TaGS1基因的克隆

谷氨酰胺合成酶(glutamine synthetase, GS)是參與將氨催化合成有機氮第一步的關(guān)鍵酶，在小麥中，三個GS基因被克隆，包括 GS1、 GSe和 GSr[42]。 GS1基因在籽粒灌漿過程中能夠?qū)再動員，在水稻中，GS1蛋白質(zhì)含量與籽粒數(shù)量和籽粒大小顯著相關(guān)[43-44]；在玉米[45-47]和小麥[48-49]中，GS1蛋白質(zhì)和GS1活性的QTL與籽粒產(chǎn)量的QTL存在共位性關(guān)系。Guo等[50]克隆得到 TaGS1a基因的gDNA全長序列，并根據(jù)差異位點開發(fā)了一個CAPS標(biāo)記，關(guān)聯(lián)分析結(jié)果顯示，該基因與粒重、粒寬、粒長等農(nóng)藝性狀顯著關(guān)聯(lián)。

2.11 家族基因的克隆

Zheng等[51]對小麥 TEF(transcript elongation factors)基因家族進行了研究， TaTEF-7A位于7A染色體上，與穗粒數(shù)顯著關(guān)聯(lián)。進一步對近等基因系的表型分析得知， TaTEF-7A可以增加籽粒產(chǎn)量，并增加產(chǎn)量相關(guān)性狀水平，其中，優(yōu)異單倍型 Hap-7A-3與產(chǎn)量顯著關(guān)聯(lián)[51]。以上結(jié)果顯示， TaTEF-7A對穗粒數(shù)來說是一個功能性調(diào)控因子。

小麥 SAP(stress-associated protein)基因家族也與其千粒重有關(guān)。在各種環(huán)境脅迫(如干旱、鹽堿以及凍害)下，Chang等[16]將 TaSAP1-A1基因定位在7A染色體上，基于 TaSAP1-A1啟動子區(qū)的3個多態(tài)性位點 InDel5-1810、 SNP-2606和 InDel39-1637開發(fā)了3個分子標(biāo)記，分別命名為T7AM5、T7AM2606和T7AM39。關(guān)聯(lián)分析表明，以上3個分子標(biāo)記與穗長、穗下節(jié)間長度、每穗總小穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重5個農(nóng)藝性狀顯著關(guān)聯(lián)[16]。

蔗糖非發(fā)酵相關(guān)蛋白激酶家族2(sucrose non-fermenting1-related protein kinase2, SnRK2)參與逆境條件下植物體內(nèi)逆境信號傳遞和能量代謝，在抵御非生物脅迫和調(diào)節(jié)植物的生長發(fā)育等方面發(fā)揮重要作用。Zhang等[52]克隆到 TaSnRK2.10基因，根據(jù)序列多態(tài)性開發(fā)功能標(biāo)記并與農(nóng)藝性狀進行關(guān)聯(lián)分析，發(fā)現(xiàn) TaSnRK2.10-4A兩種單倍型的千粒重在所有的4個環(huán)境條件下均達到了極顯著差異(P≤0.01)，單倍型 Hap-4A-H的千粒重較 Hap-4A-L平均高2.17 g。王 倩等[53]對 TaSnRK2.10基因的啟動子區(qū)域進行序列分析并開發(fā)了4個分子標(biāo)記，將自然群體的262份材料分為4種單倍型，分別與千粒重、單株穗數(shù)和每穗小穗數(shù)顯著相關(guān)或極顯著相關(guān)，并檢測出 HapⅡ和 HapⅢ是提高千粒重的優(yōu)異單倍型。

3 討 論

3.1 基因發(fā)掘方法有所創(chuàng)新

現(xiàn)代分子生物學(xué)特別是基因組學(xué)和生物信息學(xué)的迅猛發(fā)展推動了基因發(fā)掘策略和方法的改進[54]。目前，基因發(fā)掘方法主要包含正向遺傳學(xué)方法和反向遺傳學(xué)方法[55]。基于目標(biāo)基因在染色體位置的圖位克隆方法和基于連鎖不平衡將標(biāo)記或候選基因的遺傳變異(等位基因變異)與目標(biāo)性狀表型聯(lián)系起來的關(guān)聯(lián)分析方法屬于從表型到基因的正向遺傳學(xué)的范疇[56-57]；通過遺傳轉(zhuǎn)化研究基因功能以及所引起的可能表型變異進行的基因克隆屬于從基因到表型的反向遺傳學(xué)范疇。隨著擬南芥、水稻等模式植物基因組序列測序完成，推動了比較基因組學(xué)的發(fā)展，在小麥中通過同源克隆、插入或刪除、mRNA差異顯示、轉(zhuǎn)座子標(biāo)簽或RNA干涉[58]等方法發(fā)掘到的基因已經(jīng)有很多。另外，將基因關(guān)聯(lián)分析與表達分析[59]或轉(zhuǎn)基因[60]相結(jié)合，同源克隆與利用重組自交系群體定位[61]相結(jié)合，以及整合連鎖圖譜、表達譜和功能互補分析來克隆微效抗性基因/QTL[62]等各種方法進行整合以研究基因功能已成為當(dāng)前基因發(fā)掘的主要方法。

作物的很多重要性狀都受微效多基因控制遺傳，因此，提高這些基因/QTL的檢測效率對于基因克隆至關(guān)重要?；谏衔恍缘母黜椫餍?yīng)及基因型×環(huán)境互作效應(yīng)而創(chuàng)建的發(fā)育性狀條件QTL定位分析法[63]，QTL加性、顯性、上位性主效應(yīng)及其與環(huán)境互作的基因定位遺傳模型[64-65]，數(shù)量性狀基因定位及效應(yīng)分析的基于混合模型的復(fù)合區(qū)間作圖(MCIM)方法[66-67]，應(yīng)用混合分布模型對多環(huán)境試驗數(shù)據(jù)進行聯(lián)合分析以及測驗主基因型與環(huán)境互作及環(huán)境效應(yīng)的統(tǒng)計方法[68]，檢測作物數(shù)量性狀基因與遺傳標(biāo)記連鎖關(guān)系的方差分析法[69]，四向雜交設(shè)計QTL分析的極大似然方法[70]以及數(shù)量性狀基因的完備區(qū)間作圖方法[71]等極大地提高了QTL的檢測效率。同時，QTLIci-Mapping等計算機軟件的發(fā)明也為QTL定位研究提供了有效的計算工具。

3.2 建立基因功能研究平臺, 加強特異基因克隆

在小麥的近緣屬植物中，以水稻為研究對象定位或克隆到的基因最多，而其他植物則較少。從基因的功能驗證研究來看，通過水稻轉(zhuǎn)基因進行功能驗證的數(shù)量較多，而其他作物特別是小麥進行轉(zhuǎn)基因功能驗證的基因屈指可數(shù)[72]。作物的基因可通過轉(zhuǎn)化模式植物如擬南芥、煙草等進行功能驗證，如大豆特有的結(jié)瘤特性可以轉(zhuǎn)結(jié)瘤作物的模式植物蒺藜苜蓿[73]和百脈根[74]進行驗證。但是需要指出的是，在模式植物中的功能驗證并不都能完全代表其在來源作物中的直接驗證，如水稻的候選基因與擬南芥基因的直系同源性在很多情況下都是可行的[75]，但水稻與擬南芥的共線性也是有限的。構(gòu)建不同作物的高效轉(zhuǎn)化系統(tǒng)[76]是檢驗基因功能不容忽視的技術(shù)平臺，水稻基因發(fā)掘研究所取得的成就是與技術(shù)平臺的建立分不開的。因此，小麥應(yīng)借鑒新理論、新技術(shù)和新方法加強其特有基因的發(fā)掘，促進小麥自身特異基因發(fā)掘的快速發(fā)展。

3.3 小麥粒重基因在育種中的應(yīng)用

當(dāng)前作物基因發(fā)掘研究進展比較快，但這些基因的發(fā)掘多處在理論研究的層面。邱麗娟等[72]對在主要農(nóng)作物中克隆得到的300多個基因進行研究發(fā)現(xiàn)，只有約18%的基因轉(zhuǎn)入來源作物并進行了功能檢測，表現(xiàn)出應(yīng)用潛力，但在育種中進行利用價值評估的基因數(shù)目卻寥寥無幾[2]。小麥粒重性狀是由多基因控制的數(shù)量性狀，到目前為止還沒有粒重基因在小麥育種中應(yīng)用情況的報道。在現(xiàn)代小麥育種過程中，單獨一個基因可能對提高粒重起到很微小的作用(甚至不起作用)，況且產(chǎn)量性狀也受環(huán)境因素以及小麥植株本身的株型葉相等性狀的影響，對于我們闡述的已經(jīng)克隆到的與粒重相關(guān)的基因，其單獨在小麥中的轉(zhuǎn)入來增加小麥產(chǎn)量是行不通的，必須協(xié)調(diào)好基因、環(huán)境以及植株本身的優(yōu)良性狀才能較大幅度的提高小麥產(chǎn)量。另外，根據(jù)這些基因序列開發(fā)的特異性分子標(biāo)記進行分子標(biāo)記輔助選擇也將推動小麥產(chǎn)量的提高和高產(chǎn)育種的快速發(fā)展。

[1] RAJARAM S.Role of conventional plant breeding and biotechnology in future wheat production [J].TurkishJournalofAgricultureandForestry,2005,29:105.

[2] GIYRA A,SAULESCU N.Chromosomal location of genes controlling grain size in a large grained selection of wheat (TriticumaestivumL.) [J].Euphytica,1996,89:77.

[3] GEGAS V C,NAZARI A,GRIFFITHS S,etal.A genetic framework for grain size and shape variation in wheat [J].ThePlantCell,2010,22:1046.

[4] CRISTINA D,CIUCA M,CORNEA P C.Genetic contral of grain size and weight in wheat-where are we now? [J].ScientificBulletin.SeriesF.Biotechnologies,2016,2285:27.

[5] DHOLAKIA B,AMMIRAJU J,SINGH H,etal.Molecular marker analysis of kernel size and shape in bread wheat [J].PlantBreed,2003,122:392.

[6] BRESEGHELLO F,SORRELLS M E.QTL analysis of kernel size and shape in two hexaploid wheat mapping populations [J].FieldCropResearch,2007,101:172.

[7] 馬 崗,徐兆飛,張哲夫,等.小麥粒形與產(chǎn)量關(guān)系的初步研究 [J].麥類作物學(xué)報,1997,17(5):18.

MA G,XU Z F,ZHANG Z F,etal.The preliminary research on the relationship between wheat grain shape and yield [J].JournalofTriticeaeCrops,1997,17(5):18.

[8] 王瑞霞,張秀英,伍 玲,等.不同生態(tài)環(huán)境下冬小麥籽粒大小相關(guān)性狀的QTL分析[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué),2009,42(2):398.

WANG R X,ZHANG X Y,WU L,etal.QTL analysis of grain size and related traits in winter wheat under different ecological environments [J].ScientiaAgricultureSinica,2009,42(2):398.

[9] SUN X Y,WU K,ZHAO Y,etal.QTL analysis of kernel shape and weight using recombinant inbred lines in wheat [J].Euphytica,2009,165:615.

[10] WANG S,ZHANG X,CHEN F,etal.A single nucleotide polymorphism of TaGS5 gene revealed its association with kernel weight in Chinese bread wheat [J].FrontiersinPlantScience,2015,6:1166.

[11] MA L,LI T,HAO C,etal.TaGS5-3A,a grain size gene selected during wheat improvement for larger kernel and yield [J].PlantBiotechnologyJournal,2015,5(14):1269.

[12] LING H Q,ZHAO S,LIU D,etal.Draft genome of the wheat A-genome progenitorTriticumurartu[J].Nature,2013,496:87.

[13] DONG L,WANG F,LIU T,etal.Natural variation of TaGASR7-A1 affects grain length in common wheat under multiple cultivation conditions [J].MolecularBreeding,2014,34:937.

[14] KUMAR A,MANTOVANI E E,SEETAN R,etal.Dissection of genetic factors underlying wheat kernel shape and size in an Elite×Non adapted cross using hight density SNP linkage map [J].ThePlantGenome,2016,9:1.

[15] HOU J,JIANG Q,HAO C,etal.Global selection on sucrose synthase haplotypes during a century of wheat breeding [J].PlantPhysiology,2014,164:1918.

[16] CHANG J,ZHANG J,MAO X,etal.Polymorphism of TaSAP1-A1 and its association with agronomic traits in wheat [J].Planta,2013,237:1495.

[17] MOHLER V,ALBRECHT T,CASTELL A,etal.Considering causal genes in the genetic dissection of kernel traits in common wheat [J].JournalofAppliedGenetics,2016,57:467.

[18] PATIL R M,TAMHANKAR S A,OAK M D,etal.Mapping of QTL for agronomic traits and kernel characters in durum wheat (TriticumdurumDesf.) [J].Euphytica,2013,190(1):117.

[19] YANG D L,JING R L,CHANG X P,etal.Identification of quantitative trait loci and environmental interactions for accumulation and remobilization of water-soluble carbohydrates in wheat (TriticumaestivumL.) stems [J].Genetics,2007,176:571.

[20] HUYNH B L,WALLWORK H,PALMER L,etal.Quantitative trait loci for grain fructan concentration in wheat (TriticumaestivumL.) [J].TheoreticalandAppliedGenetics,2008,117:701.

[21] REBETZKE G J,HERWAARDEN A F,JENKINS C,etal.Quantitative trait loci for soluble stem carbohydrate production in wheat [J].AustralianJournalofAgriculturalResearch,2008,59:891.

[22] ZHANG B,LI W,CHANG X,etal.Effects of favorable alleles for water-soluble carbohydrates at grain filling on grain weight under drought and heat stresses in wheat [J].PLoSOne,2014,9(7):e102917.

[23] FU X Y,QI Z L,LI S S,etal.QTL detection for water-soluble oligosaccharide content of grain in common wheat(TriticumaestivumL.) [J].MolecularPlantBreeding,2011,2(10):68.

[24] LI W Y,ZHANG B,LI R Z,etal.Favorable alleles for stem water-soluble carbohydrates identified by association analysis contribute to grain weight under drought stress conditions in wheat [J].PLoSOne,2015,10(3):e0119438.

[25] KAWAKAMI A,YOSHIDA M.Molecular characterization of sucrose:sucrose1-fructosyltrans ferase and sucrose:fructan 6-fructosy ltrans ferase associated with fructan accumulation in winter wheat during cold hardening [J].Bioscience,Biotechnology,andBiochemistry,2002,66(11):2297.

[26] YUE A Q,LI A,MAO X G,etal.Identification and development of a functional marker from 6-SFT-A2 associated with grain weight in wheat [J].MolecularBreeding,2015,35(2):63.

[27] SU Z Q,HAO C,WANG L,etal.Identification and development of a functional marker of TaGW2 associated with grain weight in bread wheat (TriticumaestivumL.) [J].TheoreticalandAppliedGenetics,2011,122:211.

[28] HUANG X Q,KEMPF H,GANAL M W,etal.Advanced back-cross QTL analysis in progenies derived from a cross between a German elite winter wheat variety and a synthetic wheat (TriticumaestivumL.) [J].TheoreticalandAppliedGenetics,2004,109:933.

[29] HUANG X Q,CLOUTIER S,LYCAR L,etal.Molecular detection of QTL for agronomic and quality traits in a doubled haploid population derived from two Canadian wheats (TriticumaestivumL.) [J].TheoreticalandAppliedGenetics,2006,113:753.

[30] SUN X C,MARZA F,MA H X,etal.Mapping quantitative trait loci for quality factors in an inter-class of USA and Chinese wheat [J].TheoreticalandAppliedGenetics,2010,120:1041.

[31] JAISWAL V,GAHLAUT V,MATHUR S,etal.Identification of novel SNP in promoter sequence of TaGW2-6A associated with grain weight and other agronomic traits in wheat (TriticumaestivumL.) [J].PLoSOne,2015,10:e0129400.

[32] QIN L,HAO C,HOU J,etal.Homologous haplotypes,expression,genetic effects and geographic distribution of thewheat yield gene TaGW2 [J].PlantBiology,2014,14:107.

[33] HONG Y,CHEN L,DU L,etal.Transcript suppression of TaGW2 increased grain width and weight in bread wheat [J].FunctionalIntegrativeGenomics,2014,14:341.

[34] 張 磊,張寶石,周榮華,等.小麥細胞分裂素氧化/脫氫酶基因(TaCKX5)的克隆及其染色體定位[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué),2008,41(3):636.

ZHANG L,ZHANG B S,ZHOU R H,etal.Isolation and chromosomal localization of cytokine in oxidase/dehydrogenase gene (TaCKX5) in wheat [J].ScientiaAgricultureSinica,2008,41(3):636.

[35] ZHANG L,ZHAO Y L,GAO L F,etal. TaCKX6-D1,the ortholog of rice OsCKX2,is associated with grain weight in hexaploid wheat [J].NewPhytologist,2012,195:574.

[36] CHANG C,LU J,ZHANG H P,etal.Copy number variation of cytokinin oxidase gene Tackx4 associated with grain weight and chlorophyll content of flag leaf in common wheat [J].PLoSOne,2015,10:e0145970.

[37] LU J,CHANG C,ZHANG H P,etal.Identification of a novel allele of TaCKX6a02 associated with grain size,filling rate and weight of common wheat [J].PLoSOne,2015,10:e0144765.

[38] HANIF M,GAO F,LIU J,etal. TaTGW6-A1,anortholog of rice TGW6,is associated with grain weight and yield in bread wheat [J].MolecularBreeding,2016,36:1.

[39] MA D Y,YAN J,HE Z H,etal.Characterization of a cell wall invertase gene TaCwiA1 on common wheat chromosome 2A and development of functional markers [J].MolecularBreeding,2012,29:43.

[40] 韓利明,楊芳萍,夏先春,等. 株高、粒重及抗病相關(guān)基因在不同國家小麥品種中的分布 [J].麥類作物學(xué)報,2011,31(5):824.

HAN L M,YANG F P,XIA X C,etal.Distribution of genes related to plant height,gernel weight and disease resistance among wheat cultivars from major countries [J].JournalofTriticeaeCrops,2011,31(5):824.

[41] JIANG Y,JIANG Q,HAO C,etal.A yield-associated gene TaCWI in wheat:its function,selection and evolution in global breeding revealed by haplotype analysis [J].TheoreticalandAppliedGenetics,2015,128:131.

[42] BERMARD S M,MOLLER A L B,DIONISIO G,etal.Gene expression,cellular localisation and function of glutamine synthetase isozymes in wheat (TriticumaestivumL.) [J].PlantMolecularBiology,2008,67,89.

[43] YAMAYA T,OBARA M,NAKAJIMA H,etal.Genetic manipulation and quantitative-trait loci mapping for nitrogen recycling in rice [J].JournalofExperimentalBotany,2002,53:917.

[44] OBARA M,SATO T,SASAKI S,etal.Identification and characterization of a QTL on chromosome 2 for cytosolic glutamine synthetase content and panicle number in rice [J].TheoreticalandAppliedGenetics,2004,110:1.

[45] HIRAL B,BERTIN P,QUILLERE I,etal.Towards a better understanding of the genetic and physiological basis for nitrogen use efficiency in maize [J].PlantPhysiology,2001,125:1258.

[46] HIREL B,GOUIS J,NEY B,etal.The challenge of improving nitrogen use efficiency in crop plants:towards a more central role for genetic variability and quantitative genetics within integrated approaches [J].JournalofExperimentalBotany,2007,58:2369.

[47] GALLAIS A,HIREL B.An approach to the genetics of nitrogen use efficiency in maize [J].JournalofExperimentalBotany,2004,55:295.

[48] HABASH D Z,BEMARD S,SCHONDELMAIER J,etal.The genetics of nitrogen use in hexaploid wheat:N utilisation,development and yield [J].TheoreticalandAppliedGenetics,2007,114:403.

[49] FEDOROVA L,FEDOROV A.Introns in gene evolution [J].Genetica,2003,118:123.

[50] GUO Y,SUN J J,ZHANG G Z,etal.Haplotype,molecular marker and phenotype effects associated with mineral nutrient and grain size traits of TaGS1a in wheat [J].FieldCropsResearch,2003,154:119.

[51] ZHENG J,LIU H,WANG Y,etal. TEF-7A,a transcript elongation factor gene,influences yield-related traits in bread wheat (TriticumaestivumL.) [J].JournalofExperimentalBotany,2014,65(18):5351.

[52] ZHANG Z G,Lü G D,LI B,etal.Isolation and characterization of the TaSnRK2.10 gene and its association with agronomic traits in wheat (TriticumaestivumL.) [J].PLoSOne,2017,12(3):e0174425.

[53] 王 倩,毛新國,昌小平,等.小麥 TaSnRK2.10的多態(tài)性及與農(nóng)藝性狀的關(guān)聯(lián)[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué),2014,47(10):1865.

WANG Q,MAO X G,CHANG X P,etal.Polymorphism of TaSnRK2.10 and its association with yield-related traits in wheat [J].ScientiaAgricultureSinica,2014,47(10):1865.

[54] VARSHNEY R K,GRANER A,SORRELLS M E.Genomics-assisted breeding for crop improvement [J].TrendsinPlantScience,2005,10:621.

[55] TAKAJASHI J S,PINTO L H,VITATEMA M H.Forward and reverse genetic approaches to behavior in the mouse [J].Science,1994,264:1724.

[56] COULSON A,SULSTON J,BRENNER S,etal.Toward a physical map of the genome of the nematodeCaenorhabditiselegans[J].ProceedingoftheNationalAcademyofSciencesUSA,1986,83:7821.

[57] GUPTA P K,RUSTGI S,KULWAL P L.Linkage disequilibrium and association studies in higher plants:present status and future prospects [J].PlantMolecularBiology,2005,57:461.

[58] MATZKE M,MATZKE A J M,KOOTER J M.RNA:guiding gene silencing [J].Science,2001,293:1080.

[59] TIAN Z,WANG X,LEE R,etal.Artificial selection for determinate growth habit in soybean [J].ProceedingoftheNationalAcademyofSciencesUSA,2010,107:8563.

[60] FAN L J,BAO J D,WANG Y,etal.Post domestication selection in the maize starch pathway [J].PLoSOne,2009,4:e7612.

[61] YIN Z T,MENG F F,SONG H N,etal.Expression quantitative trait loci analysis of two genes encoding rubisco activase in soybean [J].PlantPhysiology,2010,152:1625.

[62] HU K M,QIU D Y,SHEN X L,etal.Isolation and manipulation of quantitative trait loci for disease resistance in rice using a candidate gene approach [J].MolecularPlant,2008,1:786.

[63] ZHU J.Mixed model approaches of mapping genes for complex quantitative traits [J].JournalofZhejiangUniversity,1999,33(3):327.

[64] WANG D L,ZHU J,LI Z K,etal.Mapping QTLs with epistatic effects and QTL-environment interactions by mixed linear model approaches [J].TheoreticalandAppliedGenetics,1999,99:1255.

[65] WU C C,SUN S K,NIMMAKAYALA P,etal.A BAC- and BIBAC-based physical map of the soybean genome [J].GenomeResearch,2004,14:319.

[66] YANG J,ZHU J,WILLIAMS R W.Mapping the genetic architecture of complex traits in experimental populations [J].Bioinformatics,2007,23:1527.

[67] YANG J,HU C,HU H,etal.QTL Network:mapping and visualizing genetic architecture of complex traits in experimental populations [J].Bioinformatics,2008,24:721.

[68] WU W R.Genetic analysis of qualitative-quantitative trait in multiple-environment experiments [J].ActaAgronomicaSinica,1999,25(6):723.

[69] LI W M,WU W R,LU H R.A method of detecting linkage between quantitative trait loci and genetic marker and its application in wheat [J].ActaAgronomicaSinica,1993,19(2):97.

[70] AO Y,XU C W.Maximum likelihood method for mapping QTL in four-way cross design [J].ActaAgronomicaSinica,2006,32(1):51 .

[71] WANG J K.Inclusive composite interval mapping of quantitative trait genes [J].ActaAgronomicaSinica,2009,35(2):239.

[72] 邱麗娟,郭 勇,黎 裕,等.中國作物新基因發(fā)掘:現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)與展望[J].作物學(xué)報,2011,37(1):1.

QIU L J,GUO Y,LI Y,etal.Novel gene discovery of crops in China:status,challenging,and perspective [J].ActaAgronomicaSinica,2011,37(1):1.

[73] BARKER D G,BIANCHI S,BLONDON F,etal.Medicagotruncatula,a model plant for studying the molecular genetics of theRhizobium-legume symbiosis [J].PlantMolecularBiologyReporter,1990,8:40.

[74] HANDBERG K,STOUGAARD J.Lotusjaponicus,an autogamous,diploid legume species for classical and molecular genetics [J].ThePlantJournal,1992,2:487.

[75] YU J,HU S N,WANG J,etal.A draft sequence of the rice genome (OryzasativaL.ssp.indica) [J].Science,2002,296:79.

[76] YU J,WANG J,LIN W,etal.The genomes ofOryzasativa:a history of duplications [J].PLoSBiology,2005,3:e38.

ResearchProgressofGeneCloningRelatedtoGrainWeightinCommonWheat

LüGuangde,SUNXianyin,QIXiaolei,WANGChao,WANGRuixia,SUNYingying,MUQiuhuan,MIYong,QIANZhaoguo,WUKe

(Tai’an Academy of Agricultural Science, Tai’an, Shandong 271000,China)

With the rapid development of molecular biology, especially bioinformatics and genomics,gene cloning related to grain weight in common wheat has also been further studied. This paper mainly introduces the progress of genetic and functional researches on grain weight related genes in wheat, including TaGS5, TaGASR7, TaSus, TaWSC, Ta-6-SFT, TaGW2, TaCKX, TaTGW6, TaCWI, and TaGS1 and gene family of TaTEF, TaSAP, and TaSnRK2s, which provides the corresponding theory and technology support in molecular breeding of wheat.

Common wheat; Genes related to grain weight; Cloning

2017-01-11

2017-06-18

國家小麥現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項目(CARS-3-2-22)；山東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項目(SDAIT-04-021-12)；山東省重點研發(fā)計劃項目(科技攻關(guān)部分)(2016GNC113004)

E-mail:2007guangd@163.com

吳 科(E-mail:sdtawuke1964@126.com)

時間：2017-10-11

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20171011.1601.008.html

S512.1；S330

A

1009-1041(2017)10-1301-08