通过编辑小麦TaQ基因解析小麦穗型形成的分子机制（2020.10.13 Plant Biotechnology Journal ）

在小麦进化过程中，TaQ基因是小麦穗部形态驯化的关键基因，该基因编码AP2家族的一个转录因子，调控株高、穗型、脱粒性、穗轴韧性和颖壳的硬度等。在普通小麦中Q基因存在3个等位基因，分别位于5A、5B和5D染色体的长臂上，其中，TaAQ是调控小麦穗部形态的一个关键基因，TaBq作为一个假基因和TaDq分别直接或间接参与调控小麥的驯化过程。近日，中国农业科学院作物科学研究所叶兴国实验室在Journal of Genetics and Genomics期刊上online发表了题为《CRISPR/Cas9 editing of wheat TaQ genes alters spike morphogenesis and grain threshability》的研究论文，首次报道了利用CRISPR/Cas9技术编辑TaQ基因解析小麦穗型形成和脱粒性分子机制的研究结果，为深入分析TaAQ和TaDq基因调控小麦穗部形态和花序结构发育的分子机制奠定了基础。

研究团队分别以小麦冬性品种济麦22和春性品种Fielder为受体，对位于小麦5A和5D染色体上的TaAQ及TaDq基因进行编辑。通过对获得的T0代转基因植株进行PCR-RE分子检测和测序分析，发现2个小麦品种中TaQ基因的编辑效率分别为45.6%和44.0%。来自济麦22和Fielder的T0代TaQ基因编辑植株穗型均类似于拟拟斯贝尔脱小麦，不仅穗子和穗节间的长度明显变长，颖壳与穗轴之间的夹角也显著变小，外稃的芒长变短，而且每个小穗中也多出了2个类似于外稃器官的组织，还表现出籽粒不易脱粒的特性。对源自Fielder的3类T1代纯合突变株系（TaAQ基因位点编辑、TaDq基因位点编辑和TaAQ及TaDq基因位点同时编辑）进行的表型分析发现，在不考虑TaBq基因的情况下，TaAQ基因位点编辑的植株与TaAQ和TaDq基因同时发生编辑的植株其穗型均类似于拟斯贝尔脱小麦;而TaDq基因发生编辑的植株与野生型Fielder相比除了株高降低外，其它性状无明显差异。另外，根据对TaQ基因发生编辑植株中A-class、B-class、C-class、E-class和TaTPL基因的表达模式，结合前人的研究结果，绘制了一个AP2家族基因调控小麦穗部形态和花器官发育的网络结构图，推测VRN1、FUL2、SEP2、SEP5和SEP6基因可能通过调控TaQ基因的表达影响小麦的穗部形态。

中国农业科学院研究生院已毕业博士研究生刘会云和作物科学研究所王轲副研究员为论文共同第一作者，作物科学研究所叶兴国研究员和生物技术研究所裴新梧研究员为论文共同通讯作者。该研究得到了国家转基因重大专项、宁夏重点研发计划和中国农业科学院创新工程等项目资助。