小麥轉(zhuǎn)錄因子TaMYB5-3B與株高和千粒重相關(guān)

朱 治 李 龍 李超男 毛新國 郝晨陽 朱 婷 王景一,* 常建忠 景蕊蓮

小麥轉(zhuǎn)錄因子TaMYB5-3B與株高和千粒重相關(guān)

朱 治1,2李 龍2李超男2毛新國2郝晨陽2朱 婷2王景一2,*常建忠1,*景蕊蓮2

1山西農(nóng)業(yè)大學(xué)山西有機(jī)旱作農(nóng)業(yè)研究院 / 有機(jī)旱作山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 / 省部共建有機(jī)旱作國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(籌), 山西太原 030031;2中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所, 北京 100081

MYB轉(zhuǎn)錄因子在植物生長發(fā)育過程中發(fā)揮著重要作用。本研究克隆了小麥3B染色體上的-基因, 基因組序列全長3005 bp, 其中編碼區(qū)上游為2112 bp, 編碼區(qū)為893 bp, 包含2個(gè)外顯子和1個(gè)內(nèi)含子, 編碼一個(gè)R2R3-MYB蛋白。序列多態(tài)性分析表明, 在-的–2048、–1632、–1178、–1156、–504、–461、–433和61 bp處各有1個(gè)SNP位點(diǎn), 分別是G/A轉(zhuǎn)換、G/A轉(zhuǎn)換、G/A轉(zhuǎn)換、T/C轉(zhuǎn)換、C/T轉(zhuǎn)換、A缺失、T缺失和T/A顛換, 這8個(gè)SNP位點(diǎn)連鎖?；趩?dòng)子區(qū)SNP-1632的變異開發(fā)分子標(biāo)記, 檢測小麥自然群體的基因型, 與表型性狀進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析, 結(jié)果顯示-與株高、穗下節(jié)長和千粒重顯著相關(guān)。-在群體中有2種單倍型-3B-1和-3B-2, 其中-3B-2是植株較矮、千粒重較高的優(yōu)異單倍型。在我國的小麥育種歷程中-3B-2受到了正向選擇, 在育成品種中的頻率逐步增加, 但仍然有進(jìn)一步的應(yīng)用潛力。研究結(jié)果為深入探討小麥株高和產(chǎn)量的形成機(jī)制提供參考, 也為小麥株型和產(chǎn)量分子育種提供了基因資源與選擇標(biāo)記。

分子標(biāo)記; 株高; 千粒重; 單倍型; 關(guān)聯(lián)分析; 小麥

小麥?zhǔn)鞘澜绲闹饕Z食作物, 在我國乃至全球的糧食安全中具有重要作用。隨著人口的快速增長、耕地面積減小, 小麥供不應(yīng)求[1]。為解決這一問題, 從小麥豐富的種質(zhì)資源中發(fā)掘優(yōu)異基因, 借助分子標(biāo)記培育高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)廣適新品種, 是提高小麥生產(chǎn)力保障糧食安全的有效途徑。MYB超家族廣泛存在于各種植物中, 是一類功能豐富的轉(zhuǎn)錄因子, 其成員特征為包含高度保守的DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域(MYB結(jié)構(gòu)域), 基于結(jié)構(gòu)域的不完全重復(fù)序列(R)數(shù)量, MYB家族劃分為1R-MYB、R2R3-MYB、3R-MYB和4R-MYB四類[2]。在植物中發(fā)現(xiàn)的第1個(gè)MYB轉(zhuǎn)錄因子是[3], 其參與玉米籽?；ㄇ嗨氐暮铣?隨后在擬南芥、玉米、水稻、小麥等植物中相繼報(bào)道了MYB轉(zhuǎn)錄因子[2]。迄今為止, 在擬南芥、水稻、玉米等植物中已有大量的相關(guān)研究, 但是關(guān)于小麥MYB轉(zhuǎn)錄因子的研究相對(duì)較少。

MYB轉(zhuǎn)錄因子參與植物逆境響應(yīng)和生長發(fā)育等許多重要過程[4-5], 在水稻、大豆、擬南芥和葡萄等植物中MYB轉(zhuǎn)錄因子參與各種生長發(fā)育過程, 例如大豆過表達(dá)能夠提早開花和成熟, 并通過促進(jìn)基因的表達(dá)增加株高[6]。過表達(dá)能夠改變細(xì)胞周期進(jìn)程抑制根生長發(fā)育[7]。MYB73/MYB77能夠與UV-B光感受器UVR8互作, 調(diào)節(jié)生長素反應(yīng)和側(cè)根發(fā)育[8]。擬南芥在干旱脅迫下通過整合脫落酸-生長素信號(hào)激活側(cè)根分生組織[9]。水稻編碼的MYB蛋白能夠調(diào)節(jié)花器官和小穗分生組織發(fā)育[10]。百合和基因可決定花色素苷的器官和組織特異性積累[11]。MYB轉(zhuǎn)錄因子在籽粒發(fā)育過程中也發(fā)揮重要作用, 如水稻MYB轉(zhuǎn)錄因子通過調(diào)節(jié)的表達(dá)控制籽粒形成, 從而控制粒數(shù)和穗結(jié)構(gòu)發(fā)育, 穗長的有利等位基因RGN1有助于穗結(jié)構(gòu)的改造[12]。MYB蛋白AH2能夠控制水稻谷殼和籽粒的發(fā)育[13]。MYB基因過表達(dá)導(dǎo)致水稻株高和籽粒產(chǎn)量的增加, 敲除基因?qū)е孪喾吹谋硇蚚14]。MYB轉(zhuǎn)錄因子還決定果皮的顏色, 例如的等位變異導(dǎo)致葡萄果皮顏色改變[15], 促進(jìn)花青素積累的等位基因有助于果皮顏色的改造[16]。

MYB轉(zhuǎn)錄因子在植株生長發(fā)育中發(fā)揮重要作用, 然而與小麥重要農(nóng)藝性狀相關(guān)的MYB優(yōu)異等位基因的發(fā)掘與相關(guān)標(biāo)記的開發(fā)鮮見報(bào)道。研究表明, MYB轉(zhuǎn)錄因子TaPHR3-A1控制小麥的生物量、粒數(shù)和小穗數(shù), 優(yōu)異等位基因--可提高小麥粒數(shù)[17]。發(fā)掘優(yōu)異基因并開發(fā)分子標(biāo)記, 將有效提高優(yōu)良基因聚合效率, 加速作物育種進(jìn)程[18-20]。本研究克隆了小麥-基因, 基于其序列多態(tài)性位點(diǎn)開發(fā)功能分子標(biāo)記, 明確了該基因的優(yōu)異等位變異, 以及其在我國育種歷史中的應(yīng)用情況, 為小麥遺傳改良提供了基因資源和分子標(biāo)記。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及表型鑒定

本研究以小麥品種旱選10號(hào)為材料克隆目標(biāo)基因; 用32份高多態(tài)性的小麥材料(表1)分析基因核苷酸序列多態(tài)性, 該群體是用209對(duì)SSR引物對(duì)262份小麥材料進(jìn)行多態(tài)性分析后篩選所得[21]; 用3個(gè)小麥群體進(jìn)行基因單倍型分析和表型-基因型關(guān)聯(lián)分析。群體1是由323份小麥材料組成的自然群體[22], 包括12份地方品種、36份改良品系和275份育成品種, 用于表型-基因型的關(guān)聯(lián)分析; 群體2由157份地方品種組成, 群體3由348份現(xiàn)代育成品種組成[23], 這兩個(gè)群體的材料均來自我國的10個(gè)小麥生態(tài)區(qū)。群體1在3個(gè)生長季(2014—2015、2015—2016、2016—2017)種植于北京順義(40°23'N, 116°56'E)和昌平(40°13'N, 116°13'E), 設(shè)干旱(drought stress, DS)和灌溉(well-watered, WW) 2種水分處理, 以及熱處理(heat stress, HS)[22]。DS為全生長期雨養(yǎng), 3個(gè)生長季的總降水量分別為161、173和143 mm; WW分別在越冬前、開花期和灌漿期進(jìn)行灌溉, 灌溉量為750 m3hm–2(75 mm)。HS是在花后1周用聚乙烯塑料膜覆蓋的溫室模擬高溫。群體2和群體3于2002、2005年種植于河南洛陽(34°61'N, 112°45'E), 2010年種植于北京順義。每份材料種4行, 小區(qū)行距30 cm, 行長2 m, 每行點(diǎn)播40粒種子。成熟期從小區(qū)中間2行隨機(jī)取5株考察株高、穗長、穗下節(jié)長、單株產(chǎn)量、每穗小穗數(shù)和千粒重等農(nóng)藝性狀。

表1 32份高多態(tài)性小麥材料的信息

1.2 引物設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)分析

從NCBI數(shù)據(jù)庫中獲得-參考序列, 用Primer Premier 5.0軟件設(shè)計(jì)引物; 利用dCAPS Finder 2.0網(wǎng)站(http://helix.wustl.edu/dcaps/)開發(fā)分子標(biāo)記; SeqMan 7.1軟件進(jìn)行基因序列的比對(duì)拼接; 利用DNAMAN 6軟件進(jìn)行蛋白序列比對(duì); TraesCS3B02G290600蛋白序列為參考, 在NCBI中BLASTP分析, 檢索其他物種的直系同源蛋白, 利用MEGA 7.0軟件進(jìn)行系統(tǒng)進(jìn)化樹構(gòu)建; TASSEL 5.0和SPSS 16.0軟件進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析和顯著性分析。本研究所用引物見表2。

1.3 TaMYB5-3B的克隆與序列多態(tài)性分析

以小麥品種旱選10號(hào)為材料克隆基因, 用高保真DNA聚合酶TransStart FastPfu進(jìn)行PCR擴(kuò)增。PCR反應(yīng)體系為20 μL, 包括Pfu buffer (5×) 4 μL、dNTP (2.5 μmol L–1) 1.6 μL、Fast Pfu DNA酶0.4 μL、TaMYB5-3B-cDNA-F/R引物(10 μmol L–1)各0.5 μL、模板cDNA (100 ng μL–1) 1 μL, 以及ddH2O 12 μL。PCR擴(kuò)增程序?yàn)?5℃ 2 min; 95℃ 30 s, 60℃ 30 s, 72℃ 30 s, 40個(gè)循環(huán); 72℃ 10 min。

表2 本研究所用引物

以32份高多態(tài)性小麥材料的基因組DNA為模板, 用高保真DNA聚合酶TransStart FastPfu進(jìn)行PCR擴(kuò)增。PCR反應(yīng)體系為20 μL, 包括Pfu buffer (5×) 4 μL、dNTP (2.5 μmol L–1) 1.6 μL、TaMYB5-3B- F/R引物(10 μmol L–1)各0.5 μL、Fast Pfu DNA酶0.4 μL、模板DNA (50 ng μL–1) 1 μL, 以及ddH2O 12 μL。PCR擴(kuò)增程序?yàn)?5℃ 2 min; 95℃ 30 s, 60℃ 30 s, 72℃ 2 min, 35個(gè)循環(huán); 72℃ 10 min。利用1.2%瓊脂糖凝膠電泳分離PCR產(chǎn)物, 回收純化目標(biāo)片段, 測序。利用SeqMan7.1軟件比對(duì)拼接測序序列, 分析-基因的序列多態(tài)性。

1.4 分子標(biāo)記開發(fā)

基于-啟動(dòng)子區(qū)?1632 bp的SNP (G/A)開發(fā)--dCAPS標(biāo)記, 通過錯(cuò)配堿基(T到C)產(chǎn)生II限制性酶切位點(diǎn)以區(qū)分G/A基因型。通過基因組特異性引物--F/--R獲得一輪PCR產(chǎn)物, 產(chǎn)物稀釋50倍后作為二輪PCR的模板。二輪PCR產(chǎn)物用限制性內(nèi)切酶II在37℃酶切2 h, 之后利用4%的瓊脂糖凝膠電泳分離目的片段。

1.5 關(guān)聯(lián)分析

利用分子標(biāo)記dCAPS-1632檢測群體1材料的基因型。采用TASSEL 5.0軟件的一般線性模型(GLM), 將群體結(jié)構(gòu)(Q)作為協(xié)變量[22], 對(duì)-的基因型和農(nóng)藝性狀進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析, 以< 0.05作為相關(guān)顯著性閾值。用SPSS 16.0軟件進(jìn)行顯著性分析, 檢測不同單倍型對(duì)農(nóng)藝性狀的效應(yīng)。

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥TaMYB5-3B基因的克隆與蛋白序列分析

以旱選10號(hào)為材料克隆候選基因的基因組序列。結(jié)果表明, 基因序列全長3005 bp, 包含編碼區(qū)上游2112 bp和編碼區(qū)893 bp, 其編碼區(qū)含2個(gè)外顯子和1個(gè)內(nèi)含子, 編碼272個(gè)氨基酸, 含有R2R3-MYB基因家族成員的典型結(jié)構(gòu), 即R2-HTH和R3-HTH的MYB結(jié)構(gòu)域(圖1-A), 這2個(gè)結(jié)構(gòu)域組成MYB的DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域。序列比對(duì)表明TraesCS3B02G290600蛋白序列與MYB家族成員具有較高同源性。進(jìn)化分析顯示TaMYB與其他物種中的MYB5親緣關(guān)系較近, 因此命名為TaMYB5-3B (圖1-B)。

(圖1)

A: TaMYB5氨基酸序列比對(duì)圖。黑線指示R2和R3結(jié)構(gòu)域; B: TaMYB5蛋白進(jìn)化樹。TaMYB5-3B用紅點(diǎn)標(biāo)注, Ta: 小麥; Td: 野生二粒小麥; Hv: 大麥; Bd: 二穗短柄草; Sb: 高粱; Zm: 玉米; Si: 谷子; Ph: 哈氏黍; Pv: 柳枝稷; Ob: 短花藥野生稻; Os: 水稻。

A: TaMYB5 sequence alignment. The R2 and R3 structure domains are marked with black underlines; B: phylogenetic tree of TaMYB5 proteins. TaMYB5-3B is marked with a red dot. Ta:; Td:; Hv:; Bd:; Sb:; Zm:; Si:; Ph:; Pv:; Ob:; Os:.

2.2 序列多態(tài)性分析與分子標(biāo)記開發(fā)

利用32份高多態(tài)性小麥材料分析-序列多態(tài)性, 在–2048、–1632、–1178、–1156、–504、–461、–433和61 bp處各檢測到1個(gè)SNP位點(diǎn), 分別是G/A轉(zhuǎn)換、G/A轉(zhuǎn)換、G/A轉(zhuǎn)換、T/C轉(zhuǎn)換、C/T轉(zhuǎn)換、A缺失、T缺失和T/A顛換, 編碼區(qū)61 bp處的堿基變異引起氨基酸變異(圖2-A)。對(duì)小麥群體中的-多態(tài)性分析顯示, 8個(gè)SNP位點(diǎn)連鎖, 組成2種單倍型-3B-1和-3B-2。基于啟動(dòng)子區(qū)SNP-1632的堿基差異, 通過dCAPS Finder2.0網(wǎng)站設(shè)計(jì)分子標(biāo)記dCAPS-1632, 引入1個(gè)錯(cuò)配堿基C, 形成II酶切位點(diǎn)(A▼GATCT)以區(qū)分2種單倍型(圖2-B)。經(jīng)過兩輪PCR反應(yīng)的產(chǎn)物用II酶切后電泳檢測, 若–1632 bp位點(diǎn)為G時(shí), PCR產(chǎn)物不被酶切, 片段長度為237 bp; 若–1632 bp位點(diǎn)為A時(shí), PCR產(chǎn)物被酶切, 產(chǎn)生2個(gè)片段216 bp和21 bp (圖2-C), 利用dCAPS-1632標(biāo)記可以區(qū)分-的2種單倍型。

2.3 分子標(biāo)記與農(nóng)藝性狀的關(guān)聯(lián)分析

用-分子標(biāo)記dCAPS-1632檢測小麥群體1中323份材料的基因型, 然后與16種環(huán)境(年份×地點(diǎn)×處理組合)的農(nóng)藝性狀進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析。結(jié)果顯示, 該標(biāo)記與株高和千粒重顯著關(guān)聯(lián), 在15種環(huán)境條件下與株高顯著關(guān)聯(lián), 在12種環(huán)境條件下與穗下節(jié)長顯著關(guān)聯(lián), 在11種環(huán)境條件下與千粒重顯著關(guān)聯(lián)(表3)。

2.4 TaMYB5-3B兩種單倍型的農(nóng)藝性狀比對(duì)

對(duì)小麥群體1基因型的分析顯示, 323份材料中單倍型-3B-1、-3B-2的占比分別為53.56%和46.44%。在16種環(huán)境條件下, 具有單倍型- 3B-2的材料, 其株高均顯著低于-3B-1 (圖3-A), 平均降低13.11%;-3B-2的穗下節(jié)長均顯著低于-3B-1 (圖3-B), 平均降低10.17%; 與之相反, 16種環(huán)境條件下, 具有-3B-2的材料, 其千粒重均顯著高于-3B-1 (圖3-C),-3B-2千粒重平均較-3B-1高2.49 g。同時(shí), 我們也分析了來自于我國十大麥區(qū)的地方品種(群體2)和育成品種(群體3)的組合群體, 得到了相似的結(jié)果。在3種環(huán)境條件下,具有-3B-2的材料, 其株高均顯著低于-3B- 1,千粒重均顯著高于-3B-1 (圖3-D)。以上結(jié)果表明, 單倍型-3B-2是矮稈、高千粒重的優(yōu)異單倍型。

圖2 TaMYB5-3B的核苷酸多態(tài)性和分子標(biāo)記開發(fā)

A:-的結(jié)構(gòu)示意圖與多態(tài)性位點(diǎn), 紅色字母表示設(shè)計(jì)分子標(biāo)記的SNP位點(diǎn); B: 分子標(biāo)記dCAPS-1632的開發(fā), 紅框和紅點(diǎn)代表通過堿基T錯(cuò)配為C引入II酶切位點(diǎn), 紅色字母代表2種單倍型堿基差異; C: PCR產(chǎn)物用II酶切的結(jié)果。M: 100 bp DNA ladder。

A: the schematic diagram and polymorphism sites of-. Red letter indicates the SNP that is designed for molecular marker. B: the development of the molecular marker dCAPS-1632, red rectangle and dot represent an introduction of theII restriction site by a base mismatched (T to C), and red letters represent two haplotype base differences. C: PCR products were digested byII enzyme. M: 100 bp DNA ladder.

表3 小麥dCAPS-1632標(biāo)記與農(nóng)藝性狀關(guān)聯(lián)分析

WW: 灌溉; DS: 干旱脅迫; HS: 熱脅迫; PH: 株高; PLE: 穗下節(jié)長; TGW: 千粒重;*:< 0.05;**:< 0.01;***:< 0.001; ns: 差異不顯著。

WW: well-watered; DS: drought stress; HS: heat stress; PH: plant height; PLE: peduncle length; TGW: 1000-grain weight.*:< 0.05;**:< 0.01;***:< 0.001; ns: not significant.

圖3 TaMYB5-3B兩種單倍型的農(nóng)藝性狀對(duì)比

A～C:-的2種單倍型在16種環(huán)境中株高(A)、穗下節(jié)長(B)和千粒重(C)的比較; D: 2種單倍型在3種環(huán)境中株高和千粒重的比較。E: 環(huán)境, E1: 15-SY-WW; E2: 15-SY-WW-HS; E3: 15-SY-DS; E4: 15-SY-DS-HS; E5: 16-SY-WW; E6: 16-SY-WW-DS; E7: 16-SY-DS; E8: 16-SY-DS-HS; E9: 16-CP-WW; E10: 16-CP-DS; E11: 17-SY-WW; E12: 17-SY-WW-HS; E13: 17-SY-DS; E14: 17-SY-DS-HS; E15: 17-CP-WW; E16: 17-CP-DS。15: 2015; 16: 2016; 17: 2017; 02: 2002; 05: 2005; 10: 2010。SY: 順義; CP: 昌平; LY: 洛陽。WW: 水分充足; DS: 干旱脅迫; HS: 高溫脅迫。數(shù)據(jù)顯著性采用檢驗(yàn)。**< 0.01; ***< 0.001。誤差值: ±SE。

A–C: PH (A), PLE (B), and TGW (C) comparisons of two-haplotypes in 16 environments; D: PH and TGW comparisons of two-haplotypes in three environments. E: environment; E1: 15-SY-WW; E2: 15-SY-WW-HS; E3: 15-SY-DS; E4: 15-SY-DS-HS; E5: 16-SY-WW; E6: 16-SY-WW-DS; E7: 16-SY-DS; E8: 16-SY-DS-HS; E9: 16-CP-WW; E10: 16-CP-DS; E11: 17-SY-WW; E12: 17-SY-WW-HS; E13: 17-SY-DS; E14: 17-SY-DS-HS; E15: 17-CP-WW; E16: 17-CP-DS. 15: 2015; 16: 2016; 17: 2017; 02: 2002; 05: 2005; 10: 2010. SY: Shunyi; CP: Changping; LY: Luoyang. WW: well-watered; DS: drought stress; HS: heat stress. Significance of data is tested by Student’s-test. **:< 0.01; ***:< 0.001. Error bar: ±SE.

2.5 TaMYB5-3B2種單倍型的頻率與地理分布

為了研究-單倍型在小麥育種進(jìn)程中受選擇的情況, 我們分析了小麥群體2和群體3中-2種單倍型在我國十大麥區(qū)的分布頻率。在群體2的地方品種中, 具有單倍型-3B-2的材料占22.88%, 其中新疆冬春麥區(qū)(X)-3B-2的比例較高, 達(dá)66.67%, 其余9個(gè)麥區(qū)中-3B-2的比例均低于-3B-1, 尤其是青藏冬春麥區(qū)(IX), 所有的材料均為-3B-1 (圖4-A)。在群體3的現(xiàn)代育成品種中, 具有單倍型-3B-2的材料占53.37%,與地方品種相比,-3B-2的頻率大幅提高, 特別是在小麥主產(chǎn)區(qū), 黃淮冬麥區(qū)(II)、長江中下游麥區(qū)(III)、西南冬麥區(qū)(IV), 以及東北春麥區(qū)(VI)和青藏冬春麥區(qū)(IX),-3B-2占比均超過-3B-1 (圖4-B)?？梢? 從地方品種到現(xiàn)代育成品種, 除麥區(qū)X外, 其余麥區(qū)單倍型-3B-2的頻率均大幅增加(圖4)。這表明在我國的小麥育種歷史中矮稈、粒重的優(yōu)異單倍型-3B-2受到了育種家的正向選擇。

圖4 TaMYB5-3B兩種單倍型的頻率與分布

A～B:-兩種單倍型在中國10個(gè)小麥產(chǎn)區(qū)的157個(gè)地方品種(A)和348個(gè)現(xiàn)代育成品種(B)中的分布。I: 北方冬麥區(qū); II: 黃淮冬麥區(qū); III: 長江中下游麥區(qū); IV: 西南冬麥區(qū); V: 華南冬麥區(qū); VI: 東北春麥區(qū); VII: 北部春麥區(qū); VIII: 西北春麥區(qū); IX: 青藏春冬麥區(qū); X: 新疆冬春麥區(qū)。

A–B: the distribution of two-haplotypes in 157 landraces (A) and 348 modern cultivars (B) from 10 Chinese wheat production zones. I: Northern Winter Wheat Zone; II: Yellow-Huai River Valleys Facultative Wheat Zone; III: Middle and Low Yangtze Valleys Autumn-Sown Spring Wheat Zone; IV: Southwestern Autumn-Sown Spring Wheat Zone; V: Southern Autumn-Sown Spring Wheat Zone; VI: Northeastern Spring Wheat Zone; VII: Northern Spring Wheat Zone; VIII: Northwestern Spring Wheat Zone; IX: Qinghai-Tibetan Plateau Spring-Winter Wheat Zone; X: Xinjiang Winter-Spring Wheat Zone.

2.6 TaMYB5-3B兩種單倍型在不同年代品種中的分布頻率

根據(jù)育成年代將群體3的348個(gè)現(xiàn)代育成品種分為6組, 每10年為一組, 以觀察隨著育種年代推移-單倍型的變化趨勢。從1950年以前到1990s年代, 我國育成品種的平均株高從110.51 cm降低到80.62 cm, 千粒重從34.29 g增加到43.07 g, 與此同時(shí), 矮稈、粒重優(yōu)異單倍型-3B-2的比例從22.22%逐步增加到57.14%, 而高稈小粒單倍型-3B-1的比例從77.78%下降到42.86% (圖5), 這表明在我國小麥育種中-3B-2受到了育種家的正向選擇。盡管如此, 現(xiàn)代育成品種中優(yōu)異單倍型-3B-2的頻率仍然較低, 還有進(jìn)一步的育種應(yīng)用潛力。

3 討論

MYB轉(zhuǎn)錄因子是植物中功能強(qiáng)大的超家族轉(zhuǎn)錄因子, 近年的研究表明, MYB轉(zhuǎn)錄因子在植物生長發(fā)育過程中發(fā)揮著重要的調(diào)控作用[2,4]。株高和籽粒大小是影響作物產(chǎn)量的關(guān)鍵性狀[24-26], 但是對(duì)于小麥MYB轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控株高和千粒重的研究較少, 尤其是關(guān)于其優(yōu)異等位基因發(fā)掘與標(biāo)記開發(fā)的研究鮮有報(bào)道。本文通過關(guān)聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)-與株高、穗下節(jié)長和千粒重顯著或極顯著關(guān)聯(lián), 表明-參與了對(duì)小麥株高和粒重性狀的調(diào)控。其他植物中也有類似研究報(bào)道, 例如擬南芥過表達(dá)導(dǎo)致多效性表型, 包括植株矮化, 花器官發(fā)育缺陷等[27]。棉花在擬南芥中異源表達(dá), 明顯減少葉片表皮毛, 使花器官發(fā)育異常, 并產(chǎn)生嚴(yán)重的矮化現(xiàn)象[28]。大豆過表達(dá)改變植株結(jié)構(gòu), 表現(xiàn)為側(cè)枝增加和株高降低[29]。另外兩個(gè)大豆MYB基因[6]和[30]通過赤霉素途徑調(diào)控株高, 其中受赤霉素誘導(dǎo)上調(diào)表達(dá), 促進(jìn)表達(dá), 增加株高;則直接或間接地提高GA合成基因和GA反應(yīng)相關(guān)基因的表達(dá)水平來調(diào)節(jié)株高。水稻MYB轉(zhuǎn)錄因子能夠調(diào)控多個(gè)細(xì)胞伸長和細(xì)胞壁合成基因的表達(dá), 增加株高和籽粒產(chǎn)量[14]。小麥TaMYB70通過與基因-1B啟動(dòng)子區(qū)MYB識(shí)別序列結(jié)合提高其表達(dá)水平, 進(jìn)而提高抗旱性及千粒重[31]。

圖5 我國348個(gè)育成品種中TaMYB5-3B單倍型頻率以及PH和TGW變化

A: 隨年代推進(jìn)兩個(gè)單倍型-3B-1和-3B-2在群體3中的頻率變化; B: 隨年代推進(jìn)PH和TGW在群體3中的變化。誤差值: ±SE。PH和TGW的數(shù)據(jù)來自Hao等[23]。

A: the frequency variation of-3B-1 and-3B-2 in Population 3 over decades; B: the changes of PH and TGW in Population 3 over decades. Error bar: ±SE. PH and TGW data are obtained from Hao et al.[23]

株高和千粒重是影響作物產(chǎn)量的關(guān)鍵性狀。研究者通過QTL (quantitative trait locus)遺傳定位和GWAS (genome-wide association study)分析, 已經(jīng)在小麥染色體3B上發(fā)現(xiàn)了與株高或千粒重相關(guān)的基因組區(qū)間。例如, Carter等[32]在染色體3B上定位到3個(gè)調(diào)控株高的相鄰QTL,-、-和-。Liu等[33]利用重組自交(RIL)群體在3B上定位到3個(gè)調(diào)控株高的, 1個(gè)調(diào)控千粒重的。Cui等[34]利用RIL群體定位到3個(gè)調(diào)控千粒重的QTL, 均位于3B染色體長臂上, 其中是解釋表型變異大于10%的大效應(yīng)穩(wěn)定QTL。此外, Janice等[35]在3B染色體短臂和長臂上各檢測到一個(gè)調(diào)控千粒重的QTL, 分別為和。本文研究發(fā)現(xiàn)與株高和千粒重顯著關(guān)聯(lián), 并位于3B染色體長臂上, 推測可能與前人定位到的這些性狀的QTL區(qū)間相關(guān)。另外, 我們分析了小麥基因組聯(lián)合變異數(shù)據(jù)庫(http:// wheat.cau.edu.cn/WheatUnion/)的重測序數(shù)據(jù)[36-37], 雖然此數(shù)據(jù)庫中沒有檢測到的InDel變異, 但另外6個(gè)SNP變異與本研究結(jié)果相吻合, 且這6個(gè)變異位點(diǎn)連鎖, 小麥材料也相應(yīng)地分為2種單倍型。

根據(jù)前人研究, 堿基序列變異導(dǎo)致表型差異的原因至少有2種, 一種是基因啟動(dòng)子區(qū)的變異導(dǎo)致表型差異, 另外一種是編碼區(qū)的非同義突變引起的表型差異。在啟動(dòng)子區(qū)變異導(dǎo)致表型差異方面, 例如小麥-有2種單倍型, 其中-4A-2是高千粒重的優(yōu)異單倍型, 就是由于啟動(dòng)子區(qū)TaERF3結(jié)合位點(diǎn)的突變導(dǎo)致了兩者的表型差異[38]; 小麥-兩種單倍型-2A-1和-2A-2的株高和穗下節(jié)長表現(xiàn)顯著差異, 是由于啟動(dòng)子區(qū)ARFs結(jié)合位點(diǎn)的變異導(dǎo)致的[39]。本研究在小麥種質(zhì)資源中檢測到-的2種單倍型-3B-1和-3B-2, 其中-3B-2是與矮稈、粒重相關(guān)的優(yōu)異單倍型, 在2種單倍型的啟動(dòng)子區(qū)發(fā)現(xiàn)了7個(gè)SNP差異, 推測可能是2種單倍型啟動(dòng)子區(qū)相關(guān)元件出現(xiàn)突變, 并引起表型的差異。關(guān)于編碼區(qū)非同義突變引起表型變異, 也有許多研究報(bào)道, 例如蘋果MdCIPK22可通過磷酸化MdSUT2.2 Ser381位點(diǎn)促進(jìn)糖分積累、降低丙二醛含量進(jìn)而提高植株抗旱性[40]。稻瘟病菌MoSom1 Ser227的磷酸化對(duì)其致病力至關(guān)重要, Ser227的突變導(dǎo)致孢子形成和真菌致病的缺陷[41]。本研究的TaMYB5-3B為MYB轉(zhuǎn)錄因子, 其編碼區(qū)的SNP 61位點(diǎn)變異導(dǎo)致第21位的絲氨酸轉(zhuǎn)變?yōu)樘K氨酸, 推測該變化可能引起激酶特異性磷酸化位點(diǎn)的更改, 導(dǎo)致上游蛋白激酶對(duì)TaMYB5-3B的磷酸化作用發(fā)生改變, 最終導(dǎo)致表型差異。-啟動(dòng)子區(qū)和編碼區(qū)的變異都可能導(dǎo)致2種單倍型對(duì)應(yīng)表型的差異, 后期仍需進(jìn)一步深入研究以探明其作用機(jī)制。

在作物育種過程中, 優(yōu)異等位變異或單倍型會(huì)受到育種家有意或無意的正向選擇, 使其在現(xiàn)代育成品種中的頻率不斷提高。例如小麥的單倍型-6D-3是穗長和每穗小穗數(shù)高的最優(yōu)單倍型, 在我國小麥育種進(jìn)程中受到了正向選擇[21]。-與小麥的根深和根角度、株高和千粒重相關(guān), 在我國小麥育種歷程中育種家根據(jù)生產(chǎn)需求, 不斷選擇了矮稈粒重的優(yōu)異單倍型-4A-2[42]。小麥SBP-Box基因-同時(shí)調(diào)控株高和籽粒發(fā)育, 其矮稈粒重的優(yōu)異單倍型III雖然也受到了選擇, 但是在近年育成的品種中其最高頻率仍然不足20%, 表明其在今后的育種工作中具有很大的提升空間[43]。本研究比較了地方品種和育成品種中-優(yōu)異單倍型-3B-2的頻率, 在我國大部分麥區(qū)其頻率均大幅增加; 且隨著育種年代的推進(jìn)育成品種中優(yōu)異單倍型-3B-2的頻率不斷增加, 從1950年之前的22.22%增加到1990s年代的57.14%, 表明優(yōu)異單倍型-3B-2在育種過程中受到了正向選擇。盡管如此,-3B-2在現(xiàn)代育成品種中所占比例仍然較低, 還有較大的應(yīng)用潛力。

4 結(jié)論

本研究克隆了小麥3B染色體上的-基因, 在其編碼區(qū)和啟動(dòng)子區(qū)共檢測到8個(gè)SNP位點(diǎn), 小麥自然群體中存在2種單倍型-3B-1和-3B-2。根據(jù)基因啟動(dòng)子區(qū)SNP-1632位點(diǎn)開發(fā)的分子標(biāo)記dCAPS-1632與株高、穗下節(jié)長和千粒重顯著相關(guān),-3B-2是矮稈粒重的優(yōu)異單倍型, 在我國小麥育種進(jìn)程中受到正向選擇, 即隨著育種年代推進(jìn)優(yōu)異單倍型的頻率逐步增加, 但仍然具有較大的應(yīng)用潛力。

[1] Ray D K, Mueller N D, West P C, Foley J A, Hart J P. Yield trends are insufficient to double global crop production by 2050., 2013, 8: e66428.

[2] Dubos C, Stracke R, Grotewold E, Weisshaar B, Martin C, Lepiniec L. MYB transcription factors in., 2010, 15: 573–581.

[3] Paz-Ares J, Ghosal D, Wienand U, Peterson P A, Saedler H. The regulatorylocus ofencodes a protein with homology to MYB-related proto-oncogene products and with structural similarities to transcriptional activators., 1987, 6: 3553–3558.

[4] Li J L, Han G L, Sun C F, Sui N. Research advances of MYB transcription factors in plant stress resistance and breeding., 2019, 14: 1–9.

[5] 陳清, 湯浩茹, 董曉莉, 侯艷霞, 羅婭, 蔣艷, 黃瓊瑤. 植物MYB轉(zhuǎn)錄因子的研究進(jìn)展. 基因組學(xué)與應(yīng)用生物學(xué), 2009, 28: 365–372.

Chen Q, Tang H R, Dong X L, Hou Y X, Luo Y, Jiang Y, Huang Q Y. Progress in the study of plant MYB transcription factors., 2009, 28: 365–372 (in Chinese with English abstract).

[6] Yang X, Li X, Shan J M, Li Y H, Zhang Y T, Wang Y H, Li W B, Zhao L. Overexpression ofaccelerates the transition to flowering and increases plant height in soybean., 2021, 12: 667242.

[7] Mu R L, Cao Y R, Liu Y F, Lei G, Zou H F, Liao Y, Wang H W, Zhang W K, Ma B, Du J Z. An R2R3-type transcription factor generegulates root growth and cell cycle progression in., 2009, 19: 1291–1304.

[8] Yang Y, Zhang L B, Chen P, Liang T, Li X, Liu H T. UV-B photoreceptor UVR8 interacts with MYB73/MYB77 to regulate auxin responses and lateral root development., 2020, 39: e101928.

[9] Seo P J, Xiang F, Qiao M, Park J Y, Park C M. The MYB96 transcription factor mediates abscisic acid signaling during drought stress response in., 2009, 151: 275–289.

[10] Li Y F, Zeng X Q, Li Y, Wang L, Zhuang H, Wang Y, Tang J, Wang H L, Xiong M, Yang F Y. MULTI-FLORET SPIKELET 2, a MYB transcription factor, determines spikelet meristem fate and floral organ identity in rice., 2020, 184: 988–1003.

[11] Yamagishi M, Shimoyamada Y, Nakatsuka T, Masuda K. Two R2R3-MYB genes, homologs of petunia, regulate anthocyanin bio-syntheses in flower tepals, tepal spots and leaves of Asiatic hybrid lily., 2010, 51: 463–474.

[12] Li G L, Xu B X, Zhang Y P, Xu Y W, Khan N U, Xie J Y, Sun X M, Guo H F, Wu Z Y, Wang X Q, Zhang H L, Li J J, Xu J L, Wang W S, Zhang Z Y, Li Z C.controls grain number and shapes panicle architecture in rice., 2021, 20: 158–167.

[13] Ren D Y, Cui Y J, Hu H T, Xu Q K, Rao Y C, Yu X Q, Zhang Y, Wang Y X, Peng Y L, Zeng D L, Hu J, Zhang G H, Gao Z Y, Zhu L, Chen G, Shen L, Zhang Q, Guo L B, Qian Q.encodes a MYB domain protein that determines hull fate and affects grain yield and quality in rice., 2019, 100: 813–824.

[14] Zhang Y X, Yu C S, Lin J Z, Liu J, Liu B, Wang J, Huang A, Li H Y, Zha T.regulates plant height and improves grain yield in rice., 2017, 12: e0180825.

[15] Azuma A, Udo Y, Sato A, Mitani N, Kono A, Ban Y, Yakushiji H, Koshita Y, Kobayashi S. Haplotype composition at the color locus is a major genetic determinant of skin color variation ingrapes., 2011, 122: 1427–1438.

[16] Jiu S T, Guan L, Leng X P, Zhang K K, Haider M S, Yu X, Zhu X D, Zheng T, Ge M Q, Wang C, Jia H F, Shang-Guan L F, Zhang C X, Tang X P, Abdullah M, Javed H U, Han J, Dong Z G, Fang J G. The role ofandalleles of thelocus in the regulation of anthocyanin biosynthesis for molecular breeding of grape (spp.) skin coloration., 2021, 19: 1216–1239.

[17] Zheng X W, Liu C, Qiao L, Zhao J J, Han R, Wang X L, Ge C, Zhang W Y, Zhang S W, Qiao L Y, Zheng J, Hao C Y. The MYB transcription factor TaPHR3-A1 is involved in phosphate signaling and governs yield-related traits in bread wheat., 2020, 71: 5808–5822.

[18] Liu Y N, He Z H, Appels R, Xia X C. Functional markers in wheat: current status and future prospects., 2012, 125: 1–10.

[19] Kage U, Kumar A, Dhokane D, Karre S, Kushalappa A C. Functional molecular markers for crop improvement., 2016, 36: 917–930.

[20] Salgotra R K, Stewart C N Jr. Functional markers for precision plant breeding., 2020, 21: 4792.

[21] 張宏娟, 李玉瑩, 苗麗麗, 王景一, 李超男, 楊德龍, 毛新國, 景蕊蓮. 小麥轉(zhuǎn)錄因子基因參與調(diào)控穗長和每穗小穗數(shù). 作物學(xué)報(bào), 2019, 45: 1615–1627.

Zhang H J, Li Y Y, Miao L L, Wang J Y, Li C N, Yang D L, Mao X G, Jing R L. Transcription factor geneinvolved in regulation spike length and spikelet number per spike in common wheat., 2019, 45: 1615–1627 (in Chinese with English abstract).

[22] Li L, Mao X G, Wang J Y, Chang X P, Reynolds M, Jing R L. Genetic dissection of drought and heat-responsive agronomic traits in wheat., 2019, 42: 2540–2553.

[23] Hao C Y, Wang L F, Ge H M, Dong Y C, Zhang X Y. Genetic diversity and linkage disequilibrium in Chinese bread wheat (L.) revealed by SSR markers., 2011, 6: e17279.

[24] Cao S H, Xu D G, Hanif M, Xia X C, He Z H. Genetic architecture underpinning yield component traits in wheat., 2020, 133: 1811–1823.

[25] Khobra R, Sareen S, Meena B K, Kumar A, Tiwari V, Singh G P. Exploring the traits for lodging tolerance in wheat genotypes: a review., 2019, 25: 589–600.

[26] Foulkes M, Slafer G, Davies W, Berry P, Sylvester-Bradley R, Martre P, Calderini D F, Griffiths S, Reynolds M P. Raising yield potential of wheat: III. Optimizing partitioning to grain while maintaining lodging resistance., 2011, 62: 469–486.

[27] Yang X Y, Li J G, Pei M, Gu H, Chen Z L, Qu L J. Over-expression of a flower-specific transcription factor genecauses aberrant anther development., 2007, 26: 219–228.

[28] 王諾菡, 于霽雯, 吳嫚, 馬啟峰, 李興麗, 裴文鋒, 李海晶, 黃雙領(lǐng), 張金發(fā), 喻樹迅. 棉花基因的克隆、表達(dá)分析及功能鑒定. 作物學(xué)報(bào), 2014, 40: 1540–1548.

Wang N H, Yu J W, Wu M, Ma Q F, Li X L, Pei W F, Li H J, Huang S L, Zhang J F, Yu S X. Cloning, expression, and functional analysis ofgene from cotton (L.)., 2014, 40: 1540–1548 (in Chinese with English abstract).

[29] Yang H, Xue Q, Zhang Z Z, Du J Y, Yu D Y, Fang H. GmMYB181, a soybean R2R3-MYB protein, increases branch number in transgenic., 2018, 9: 1027.

[30] Cheng Q, Dong L D, Su T, Li T Y, Gan Z R, Nan H Y, Lu S J, Fang C, Kong L P, Li H Y, Hou Z H, Kou K, Tang Y, Lin X Y, Zhao X H, Chen L Y, Liu B H, Kong F J. CRISPR/Cas9-mediated targeted mutagenesis ofgenes alters plant height and internode length in soybean., 2019, 19: 562.

[31] Mao H D, Jian C, Cheng X X, Chen B, Mei F M, Li F F, Zhang Y F, Li S M, Du L Y, Li T, Hao C Y, Wang X J, Zhang X Y, Kang Z S. The wheat ABA receptor genecontributes to drought tolerance and grain yield by increasing water-use efficiency., 2022, 20: 846–861.

[32] Carter A H, Garland-Campbell K, Kidwell K K. Genetic mapping of quantitative trait loci associated with important agronomic traits in the spring wheat (L.) cross ‘Louise’ × ‘Penawawa’., 2011, 51: 84–95.

[33] Liu J, Wu B H, Singh R P, Velu G. QTL mapping for micronutrients concentration and yield component traits in a hexaploid wheat mapping population., 2019, 88: 57–64.

[34] Cui F, Zhao C H, Ding A M, Li J, Wang L, Li X F, Bao Y G, Li J M, Wang H G. Construction of an integrative linkage map and QTL mapping of grain yield-related traits using three related wheat RIL populations., 2014, 127: 659–675.

[35] Cuthbert J L, Somers D J, Brule-Babel A L, Brown P D, Crow G H. Molecular mapping of quantitative trait loci for yield and yield components in spring wheat (L.)., 2008, 117: 595–608.

[36] Hao C Y, Jiao C Z, Hou J, Li T, Liu H X, Wang Y Q, Zheng J, Liu H, Bi Z H, Xu F F, Zhao J, Ma L, Wang Y M, Majeed U, Liu X, Appels R, Maccaferri M, Tuberosa R, Lu H F, Zhang X Y. Resequencing of 145 landmark cultivars reveals asymmetric sub-genome selection and strong founder genotype effects on wheat breeding in China., 2020, 13: 1733–1751.

[37] Guo W L, Xin M M, Wang Z H, Yao Y Y, Hu Z R, Song W J, Yu K H, Chen Y M, Wang X B, Guan P F, Appels R, Peng H R, Ni Z F, Sun Q X. Origin and adaptation to high altitude of Tibetan semi-wild wheat., 2020, 11: 5085.

[38] Wang J Y, Wang R T, Mao X G, Zhang J L, Liu Y N, Xie Q, Yang X Y, Chang X P, Li C N, Zhang X Y, Jing R L. RING finger ubiquitin E3 ligase genecontributes to determination of grain size in common wheat., 2020, 71: 5377–5388.

[39] Xue Y H, Wang J Y, Mao X G, Li C N, Li L, Yang X, Hao C Y, Chang X P, Li R Z, Jing R L. Association analysis revealed thatgenes are linked to plant growth related traits in multiple environments., 2021, 12: 641087.

[40] Ma Q J, Sun M H, Lu J, Kang H, You C X, Hao Y J. An apple sucrose transporter MdSUT2.2 is a phosphorylation target for protein kinase MdCIPK22 in response to drought., 2019, 17: 625–637.

[41] Deng S Z, Xu L, Xu Z, Lv W Y, Chen Z X, Yang N, Talbot N J, Wang Z Y. A putative PKA phosphorylation site S227 in MoSom1 is essential for infection-related morphogenesis and pathogenicity in., 2021, 23: e13370.

[42] Zhuang M J, Li C N, Wang J Y, Mao X G, Li L, Yin J, Du Y, Wang X, Jing R L. The wheatgenecontrols root length in an auxin-dependent pathway., 2021, 72: 6977–6989.

[43] Zhang B, Xu W N, Liu X, Mao X G, Li A, Wang J Y, Chang X P, Zhang X Y, Jing R L. Functional conservation and divergence among homoeologs ofand, two SBP-Box genes governing yield-related traits in hexaploid wheat., 2017, 174: 1177–1191.

Transcription factor TaMYB5-3B is associated with plant height and 1000- grain weight in wheat

ZHU Zhi1,2, LI Long2, LI Chao-Nan2, MAO Xin-Guo2, HAO Chen-Yang2, ZHU Ting2, WANG Jing-Yi2,*, CHANG Jian-Zhong1,*, and JING Rui-Lian2

1Shanxi Institute of Organic Dryland Farming, Shanxi Key Laboratory of Organic Dry Farming, State Key Laboratory of Integrative Sustainable Dryland Agriculture (in Preparation), Shanxi Agricultural University, Taiyuan 030031, Shanxi, China;2Institute of Crop Sciences, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China

MYB transcription factor plays an important role in plant growth and development. In this study, we cloned-gene on chromosome 3B in wheat. The full-length genome sequence is 3005 bp, including 2112 bp promoter region and 893 bp coding region.-coding region consists of two exons and one intron, which encodes a R2R3-MYB protein. The polymorphism of-was analyzed by sequencing 32 wheat accessions with wide variations. A total of eight SNPs were detected at –2048, –1632, –1178, –1156, –504, –461, –433, and 61 bp, respectively. They were eight SNPs linked by G/A conversion, G/A conversion, G/A conversion, T/C conversion, C/T conversion, A deletion, T deletion and T/A inversion, respectively. A pair of molecular markers were developed based on the promoter region SNP-1632 to detect the genotypes of wheat natural population. The association analysis of genotype and phenotypic traits showed that-was significantly associated with plant height (PH), peduncle length (PLE), and 1000-grain weight (TGW). Two haplotypes (-3B-1 and-3B-2) were detected in the population, in which-3B-2 was an excellent haplotype with short PH and high TGW.-3B-2 had been positively selected in the breeding, and its frequency in modern cultivars gradually increased with the advance of breeding years in China. Therefore,-could be used to further understand the mechanism of wheat plant height and grain yield formation, and its molecular markers may contribute to ideal plant architecture and grain yield breeding of wheat.

molecular markers; plant height; 1000-grain weight; haplotype; association analysis; wheat

10.3724/SP.J.1006.2023.21029

本研究由山西農(nóng)業(yè)大學(xué)省部共建有機(jī)旱作農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)項(xiàng)目(202105D121008-2-7)和財(cái)政部和農(nóng)業(yè)農(nóng)村部國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)(小麥, CARS-03)資助。

This study was supported by the State Key Laboratory of Integrative Sustainable Dryland Agriculture, the Shanxi Agricultural University (202105D121008-2-7), and the China Agriculture Research System of MOF and MARA (Wheat, CARS-03).

常建忠, E-mail: cjzyfx@163.com; 王景一, E-mail: wangjingyi@caas.cn

E-mail: zz1752782610@163.com

2022-04-21;

2022-07-21;

2022-08-29.

URL: https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20220826.1455.002.html

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