小麥分蘗數(shù)目遺傳研究進展與展望

申雪懿,李東升,陳 琛,曲朝喜,郭 瑞,姚維成,劉家俊,鄧 垚,溫明星

(江蘇丘陵地區(qū)鎮(zhèn)江農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所,江蘇句容 212400)

小麥是中國三大糧食作物之一。近年來由于產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)供給側(cè)調(diào)整,小麥播種面積不斷下降,尤以春麥區(qū)、北部冬麥區(qū)和西南冬麥區(qū)下降最為嚴重[1]。為保障國家糧食安全以及滿足居民糧食需求,提高單位面積產(chǎn)量成為小麥育種工作的重中之重。

小麥分蘗數(shù)目影響單位面積小穗數(shù)的形成,是構(gòu)成小麥產(chǎn)量的重要因素之一。作為一個復(fù)雜的數(shù)量性狀,分蘗數(shù)目同時由多個主效基因和微效基因控制。挖掘控制分蘗數(shù)目的關(guān)鍵基因,解析影響分蘗數(shù)目的分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò),有利于揭示分蘗發(fā)育的遺傳機制和分子機理,為小麥高產(chǎn)育種提供堅實的理論基礎(chǔ)和有效的基因資源。隨著基因組測序拼裝技術(shù)和生物信息學(xué)算法的快速進步,為小麥分蘗數(shù)目相關(guān)數(shù)量位點(quantitative trait locus, QTL)的定位及基因克隆奠定了重要基礎(chǔ)。本文對小麥分蘗發(fā)育過程、分蘗數(shù)目相關(guān)基因/QTL的定位以及相關(guān)基因的克隆三方面進行綜述,以期為小麥分蘗數(shù)目QTL進一步精細定位、優(yōu)異等位基因挖掘和分子標記輔助選擇高產(chǎn)育種提供理論依據(jù)。

1 小麥分蘗的發(fā)育過程

不同作物之間由于馴化選擇方向的不同,分蘗的生長發(fā)育也隨之不同。在小麥中,多分蘗性狀被保留了下來;而在玉米中,多分蘗性狀在馴化和選擇中丟失,分蘗變少,使營養(yǎng)主要集中在主莖上[2]。分蘗起源于腋生分生組織,其產(chǎn)生和發(fā)育主要經(jīng)歷兩個階段:(1)腋生分生組織發(fā)育,即在莖尖和葉原基之間形成邊界后,腋生分生組織開始在葉腋近軸端的分生組織細胞中形成;(2)腋芽伸長形成分蘗[3]。邊界的形成和分生組織的發(fā)育受遺傳背景、激素和環(huán)境的多重影響[4-7]。此外,腋芽的伸長也受多種因素的控制,除自身遺傳因素外,也受腋生分生組織活性、分蘗芽生長位置、營養(yǎng)利用情況、光照以及溫度等各種外在因素的影響[8-11]。

小麥分蘗的生長發(fā)育通常遵循一定的規(guī)律(圖1)。在成熟小麥胚中,胚芽鞘的腋部產(chǎn)生一個腋芽,此腋芽通常處于休眠狀態(tài),稱為T0;此外,第一葉原基的腋部也產(chǎn)生另一個腋芽,稱為T1;當?shù)谌~充分伸長,第四葉出現(xiàn)時,T1開始發(fā)育;從T1葉腋產(chǎn)生的次級分蘗稱為T1.1,從莖基部先出葉產(chǎn)生的次級分蘗則稱為T1.0和T2.0,并以此類推[12]。但在實際生產(chǎn)中,由于各種外在因素的影響,小麥不會無限分蘗,只有在條件良好的情況下,才可以生成三級分蘗和四級分蘗。在前期營養(yǎng)生長階段,主莖和次級分蘗的產(chǎn)生決定了小麥總分蘗數(shù)目。進入生殖生長階段后,植物體內(nèi)的營養(yǎng)物質(zhì)主要集中在主莖,而其他分蘗獲得的營養(yǎng)物質(zhì)較少。不同分蘗獲得的營養(yǎng)物質(zhì)也不同,其中擁有獨立營養(yǎng)供給系統(tǒng)的四葉分蘗和大分蘗能夠獲得足夠的營養(yǎng)進行抽穗結(jié)實,成為有效分蘗,而沒有獨立營養(yǎng)供給系統(tǒng)的小分蘗會逐漸死亡,成為無效分蘗[13-15]。小麥除無效分蘗和有效分蘗之外,還存在動搖分蘗,即三葉分蘗。外界生長環(huán)境、耕作栽培方式等不確定因素使三葉分蘗無法獲得穩(wěn)定的營養(yǎng)供給,常常在無效分蘗和有效分蘗之間轉(zhuǎn)換[16]。

C:胚芽鞘;L:葉;T:分蘗.C:Coleoptile; L:Leaf; T:Tiller.圖1 小麥分蘗結(jié)構(gòu)示意圖[12]Fig.1 Diagram of wheat tillering structure[12]

2 控制小麥分蘗數(shù)目的遺傳位點

分蘗抑制突變體及其近源屬種為小麥分蘗發(fā)育機制的研究提供了理想材料。迄今為止,采用分蘗抑制突變系及其近源屬種已定位到4個分蘗抑制基因tin1、tin2、tin3和ftin[17-20]。

tin1來自于Alpha和一個北非陸地種雜交衍生的單莖小麥系,位于1AS染色體上,為隱性基因,與SSR標記Xgwm136共分離[17]。tin2來自于面包小麥品系88F2185,為顯性基因,位于2A染色體上[18]。tin3來自于一個分蘗力受損的二倍體小麥(T.monococcumsubsp.)單莖突變體,位于3AL染色體上,與共顯性標記Xpsr1205緊密連鎖[19]。ftin來自于普通小麥與冰草雜交獲得的可育分蘗抑制系Pubing 3558,位于1AS染色體上,與標記Xcfa2153緊密相連[20]。

連鎖分析是進行作物復(fù)雜數(shù)量性狀遺傳解析的重要方法。前人利用雙親構(gòu)建的RIL群體,在除1D、3A和5B之外的其他18條染色體上均定位到了控制小麥分蘗數(shù)目的QTL,可解釋表型變異0.74%～55.40%,其中在兩個及以上環(huán)境下能被檢測到的基因/QTL信息如表1所示。

表1 已知控制小麥分蘗數(shù)目的遺傳位點Table 1 Genetic loci controlling tiller number in wheat

Kato等[21]利用Cappelle-Desprez和中國春雜交衍生的RIL群體為材料,在5A染色體上鑒定到兩個控制單株分蘗數(shù)目的穩(wěn)定遺傳位點,其中QTn.ocs.5A.1位于分子標記Xpsr370和Xcdo457之間,Vrn-A1處于分子標記Xrgs1912和Xrz395之間。Naruoka等[22]利用Reeder和Conan雜交構(gòu)建的RIL群體為材料,在6B染色體上鑒定到一個控制有效分蘗數(shù)目的穩(wěn)定QTL,位于標記wPt4716和wPt3581之間,可解釋9%～17%的表型變異;該QTL同時在RIL群體McNeal/Thatcher和McNeal/Reeder以及近等基因系中均得到了驗證。Xu等[23]利用EMS誘變望水白得到的多分蘗突變株系NAUH167,將其與蘇麥3號進行雜交,對其后代衍生的RIL群體進行遺傳定位,在2D染色體上定位到一個同時控制單株分蘗數(shù)目和單株有效分蘗數(shù)目的穩(wěn)定QTL,位于分子標記Xcfd11和Xgpw361之間。Wang等[24]利用H461和川農(nóng)16雜交構(gòu)建的RIL群體為材料,在2B和2D染色體上分別定位到兩個控制單株分蘗數(shù)目的穩(wěn)定QTL,在多個遺傳背景下均具有顯著效應(yīng),其中Qltn.sicau-2B位于SNP標記BS00030136_51和wsnp_Ex_c25043_34305764之間;Qltn.sicau-2D位于SNP標記Ra_c1597_2155和BobWhite_c5392_324之間。Liu等[25]基于小麥55K芯片構(gòu)建的全基因組遺傳連鎖圖譜,利用20828和川農(nóng)16雜交構(gòu)建的RIL群體為材料,在4B染色體上定位到一個在多環(huán)境下穩(wěn)定表達的有效分蘗數(shù)目QTL,位于標記AX-109526283和AX-110549715之間。Liu等[26]基于小麥55K芯片、SSR標記和KASP標記構(gòu)建的高密度遺傳連鎖圖譜,利用20828和SY95-71雜交構(gòu)建的RIL群體為材料,在1BL染色體上定位到一個在多環(huán)境下穩(wěn)定表達的有效分蘗數(shù)目QTL,位于標記AX-89635557和AX-111544678之間。Hu等[27]利用川農(nóng)18和T1208構(gòu)建的RIL群體,在4D染色體上發(fā)現(xiàn)一個同時控制單位面積最大分蘗數(shù)目和冬前單位面積分蘗數(shù)目的遺傳位點,在該位點附近還存在一個與成穗率有關(guān)的QTL;Ren等[28]則在該RIL群體的多條染色體上定位到控制早期單位面積分蘗數(shù)目、冬前單位面積分蘗數(shù)目、單位面積最大分蘗數(shù)目和單位面積有效分蘗數(shù)目的遺傳位點,其中控制單位面積最大分蘗數(shù)目的QTL在多個環(huán)境下能被檢測到。

3 小麥分蘗數(shù)目相關(guān)基因的克隆

目前,通過圖位克隆的方法還未在小麥中克隆到與分蘗數(shù)目相關(guān)的基因,但通過同源基因克隆的方法,已經(jīng)克隆到8個與小麥分蘗數(shù)目相關(guān)的基因(TaMOC1、TaTB1、TaPAY1、TaPIN、TaD27、TaPIL1、TaSPL和TaD53)。這8個基因作用于小麥生長的不同生育階段,通過與不同遺傳因子或外源激素相互作用參與調(diào)控小麥分蘗。

3.1 TaMOC1基因

TaMOC1編碼一種GRAS家族核蛋白,可促使小麥腋芽形成并促進其生長[5],另外在小麥葉原基的表皮細胞、莖尖分生組織、小穗原基和幼葉中也有表達[29-30]。涂田莉[30]研究發(fā)現(xiàn),TaMOC1基因可能參與無效分蘗的形成,在TaMOC1-RNAi轉(zhuǎn)基因T3代陽性株系中,越冬前期和拔節(jié)期的分蘗數(shù)目顯著少于野生型,但抽穗期的有效分蘗數(shù)目與野生型無顯著差異。杜麗君[31]通過對TaMOC1基因啟動子區(qū)域順式作用元件進行分析,發(fā)現(xiàn)TaMOC1基因可能通過與分生組織表達有關(guān)的順式調(diào)控元件參與調(diào)控小麥分蘗。

3.2 TaTB1基因

TB1是控制小穗發(fā)育和調(diào)節(jié)株型的主要基因,在不同作物中功能非常保守。TB1基因最先在玉米中被克隆,可抑制玉米側(cè)枝的發(fā)生,使玉米由祖先大芻草的多分枝性狀變成單莖性狀[32-34]。Lewis等[35]將玉米TB1基因轉(zhuǎn)化到小麥品種Bobwhite中,發(fā)現(xiàn)過表達TB1基因抑制了小麥分蘗的形成。Dixon等[36]研究表明,TaTB-B1和TaTB-D1基因可抑制小麥腋芽的形成進而減少分蘗數(shù)目,同時可促進小穗的發(fā)育。

3.3 TaPAY1基因

PAY1基因可調(diào)節(jié)作物株型和產(chǎn)量[37]。研究表明,TaPAY1基因在小麥莖尖分生組織、葉原基、小穗原基和幼葉中均有表達,其表達受脫落酸、赤霉素、茉莉酸、生長素以及干旱、低溫脅迫的調(diào)控,且拔節(jié)期和抽穗期TaPAY1-RNAi轉(zhuǎn)基因T2代株系的分蘗數(shù)目較野生型均有所增加[16]。

3.4 TaPIN基因

生長素是一種具有極性運輸特性的激素,在調(diào)控植物分蘗方面起重要的作用[38-41]。PIN蛋白是生長素運輸?shù)奶禺愋缘鞍?是生長素極性運輸?shù)南拗埔蜃覽42-44]。目前在小麥中已鑒定出9個PIN1同源基因,其中TaPIN1-6基因在小麥莖尖和嫩葉中高表達[45]。在TaPIN1-RNAi轉(zhuǎn)基因小麥株系中,TaPIN1s基因下調(diào)表達,使植株的分蘗數(shù)目增加,表明生長素可能介導(dǎo)小麥腋芽的產(chǎn)生,且TaPIN1-RNAi株系的小穗數(shù)、每穗粒數(shù)和千粒重較野生型均有所下降[45]。

3.5 TaD27基因

D27基因是獨腳金內(nèi)酯生物合成和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中的關(guān)鍵基因,在調(diào)控分蘗數(shù)目方面具有重要作用。獨腳金內(nèi)酯是除生長素外調(diào)節(jié)分蘗數(shù)目的另一重要激素,其可通過抑制腋芽的伸長負調(diào)控分蘗數(shù)目[46]。TaD27基因編碼一種獨腳金內(nèi)酯合成酶,進而影響小麥分蘗數(shù)目。TaD27-RNAi株系表現(xiàn)為獨腳金內(nèi)酯含量降低和分蘗增多,而TaD27-B過表達株系表現(xiàn)為獨腳金內(nèi)酯含量增多和分蘗減少[47]。此外,在水培條件下,GR24(合成獨腳金內(nèi)酯模擬物)和TIS108(獨腳金內(nèi)酯合成抑制劑)影響TaD27-RNAi株系和TaD27-B過表達株系的腋芽生長,表明TaD27-B通過參與獨腳金內(nèi)酯的生物合成來調(diào)控小麥分蘗[47]。

3.6 TaPIL1基因

Zhang等[48]研究表明,TaPIL1可作為一種新的分蘗抑制因子,激活TaTB1基因的轉(zhuǎn)錄,進而抑制小麥分蘗;過表達TaPIL1基因可降低小麥分蘗數(shù)目,而過表達TaPIL1-SUPERMAN抑制結(jié)構(gòu)域則可增加小麥分蘗數(shù)目。

3.7 TaSPL基因

SPL轉(zhuǎn)錄因子參與植物生長發(fā)育過程,在作物株型調(diào)控方面具有重要作用,其典型特征是含有一個可以被miR156識別的SBP-box結(jié)構(gòu)域。小麥miR156通過對TaSPL基因進行轉(zhuǎn)錄切割來調(diào)控分蘗數(shù)目,miR156的過表達可抑制TaSPL3/17基因的表達,進而增加小麥分蘗數(shù)目[49]。

3.8 TaD53基因

TaD53是小麥獨腳金內(nèi)酯信號通路的抑制因子,與轉(zhuǎn)錄共抑制因子TaTPL相互作用發(fā)揮功能。同時TaD53基因還可直接與miR156控制的TaSPL3/17蛋白相互作用,抑制TaTB1基因的表達,導(dǎo)致分蘗數(shù)目增加[49]。

4 研究展望

4.1 多角度多維度解析分蘗數(shù)目性狀

為全面解析小麥分蘗數(shù)目遺傳調(diào)控網(wǎng)絡(luò),對分蘗數(shù)目的遺傳研究需要進一步細化和深入。在以往的研究中,單株分蘗數(shù)目和單株有效分蘗數(shù)目是研究的熱點[21-26],不同時期的單位面積分蘗數(shù)目在近幾年也有所涉及[27-28],而單位面積有效分蘗數(shù)目和成穗率則鮮有研究。在小麥生產(chǎn)中,單位面積有效分蘗數(shù)目和成穗率與最終產(chǎn)量顯著相關(guān),增加單位面積有效分蘗數(shù)目在一定程度上可以提升單位面積的產(chǎn)量水平;降低無效分蘗比率可提高小麥分蘗成穗率,有利于減少資源消耗,進而增強小麥的個體競爭力。在后續(xù)研究中,對單位面積有效分蘗數(shù)目和分蘗成穗率相關(guān)基因/QTL的挖掘和克隆有待加強,為精準改良分蘗性狀和提高小麥單產(chǎn)水平提供參考。

4.2 利用基因組學(xué)技術(shù)促進小麥分蘗數(shù)目相關(guān)基因的克隆

前人利用同源基因克隆方法在小麥中克隆到多個與小麥分蘗數(shù)目相關(guān)的基因,但采用經(jīng)典圖位克隆的方法還未克隆到相關(guān)基因,原因可能是小麥龐大的基因組阻礙了功能基因組研究的步伐。隨著高通量測序技術(shù)和基因組拼裝技術(shù)的不斷更新和發(fā)展,普通小麥[50]、祖先種[51-53]及其近緣屬種[54-56]的高質(zhì)量參考基因組已相繼公布。小麥基因組測序技術(shù)的快速發(fā)展,加快了高密度SNP芯片的開發(fā),為分子標記的開發(fā)和遺傳圖譜的構(gòu)建提供了大量的遺傳多態(tài)性信息。此外,小麥突變體數(shù)據(jù)庫[57]、小麥表達譜數(shù)據(jù)庫[58]和小麥族同源基因數(shù)據(jù)庫[59]也已建立?；谏鲜鲐S富的基因組數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù),在采用雙親群體進行遺傳連鎖定位的同時,可利用全基因組關(guān)聯(lián)分析(genome-wide association study, GWAS)和轉(zhuǎn)錄組關(guān)聯(lián)分析(transcriptome-wide association study, TWAS)進一步識別和確定候選基因,加快分蘗數(shù)目相關(guān)基因的挖掘進程。

4.3 利用基因編輯技術(shù)加快分蘗基因功能研究

普通小麥作為一種異源六倍體作物,大多數(shù)基因有三個拷貝,且同源基因之間可能存在功能冗余,這為基因功能驗證帶來了困難。利用RNA干擾可有效地沉默同源基因。近年來隨著小麥遺傳轉(zhuǎn)化效率的極大提高,基于CRISPR/Cas9系統(tǒng)的基因編輯技術(shù)在小麥基因功能研究及品種改良中取得了重要進展[60-62]?；蚓庉嫾夹g(shù)不僅可以針對單個基因,還可以靶向三個等位基因或串聯(lián)基因簇,更加高效地進行基因功能分析,為揭示小麥分蘗的遺傳調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和進行品種遺傳改良提供幫助。