小麦分蘖数目遗传研究进展与展望

申雪懿,李东升,陈 琛,曲朝喜,郭 瑞,姚维成,刘家俊,邓 垚,温明星

(江苏丘陵地区镇江农业科学研究所,江苏句容 212400)

小麦是中国三大粮食作物之一。近年来由于产业结构供给侧调整,小麦播种面积不断下降,尤以春麦区、北部冬麦区和西南冬麦区下降最为严重[1]。为保障国家粮食安全以及满足居民粮食需求,提高单位面积产量成为小麦育种工作的重中之重。

小麦分蘖数目影响单位面积小穗数的形成,是构成小麦产量的重要因素之一。作为一个复杂的数量性状,分蘖数目同时由多个主效基因和微效基因控制。挖掘控制分蘖数目的关键基因,解析影响分蘖数目的分子调控网络,有利于揭示分蘖发育的遗传机制和分子机理,为小麦高产育种提供坚实的理论基础和有效的基因资源。随着基因组测序拼装技术和生物信息学算法的快速进步,为小麦分蘖数目相关数量位点(quantitative trait locus, QTL)的定位及基因克隆奠定了重要基础。本文对小麦分蘖发育过程、分蘖数目相关基因/QTL的定位以及相关基因的克隆三方面进行综述,以期为小麦分蘖数目QTL进一步精细定位、优异等位基因挖掘和分子标记辅助选择高产育种提供理论依据。

1 小麦分蘖的发育过程

不同作物之间由于驯化选择方向的不同,分蘖的生长发育也随之不同。在小麦中,多分蘖性状被保留了下来;而在玉米中,多分蘖性状在驯化和选择中丢失,分蘖变少,使营养主要集中在主茎上[2]。分蘖起源于腋生分生组织,其产生和发育主要经历两个阶段:(1)腋生分生组织发育,即在茎尖和叶原基之间形成边界后,腋生分生组织开始在叶腋近轴端的分生组织细胞中形成;(2)腋芽伸长形成分蘖[3]。边界的形成和分生组织的发育受遗传背景、激素和环境的多重影响[4-7]。此外,腋芽的伸长也受多种因素的控制,除自身遗传因素外,也受腋生分生组织活性、分蘖芽生长位置、营养利用情况、光照以及温度等各种外在因素的影响[8-11]。

小麦分蘖的生长发育通常遵循一定的规律(图1)。在成熟小麦胚中,胚芽鞘的腋部产生一个腋芽,此腋芽通常处于休眠状态,称为T0;此外,第一叶原基的腋部也产生另一个腋芽,称为T1;当第三叶充分伸长,第四叶出现时,T1开始发育;从T1叶腋产生的次级分蘖称为T1.1,从茎基部先出叶产生的次级分蘖则称为T1.0和T2.0,并以此类推[12]。但在实际生产中,由于各种外在因素的影响,小麦不会无限分蘖,只有在条件良好的情况下,才可以生成三级分蘖和四级分蘖。在前期营养生长阶段,主茎和次级分蘖的产生决定了小麦总分蘖数目。进入生殖生长阶段后,植物体内的营养物质主要集中在主茎,而其他分蘖获得的营养物质较少。不同分蘖获得的营养物质也不同,其中拥有独立营养供给系统的四叶分蘖和大分蘖能够获得足够的营养进行抽穗结实,成为有效分蘖,而没有独立营养供给系统的小分蘖会逐渐死亡,成为无效分蘖[13-15]。小麦除无效分蘖和有效分蘖之外,还存在动摇分蘖,即三叶分蘖。外界生长环境、耕作栽培方式等不确定因素使三叶分蘖无法获得稳定的营养供给,常常在无效分蘖和有效分蘖之间转换[16]。

C:胚芽鞘;L:叶;T:分蘖.C:Coleoptile; L:Leaf; T:Tiller.图1 小麦分蘖结构示意图[12]Fig.1 Diagram of wheat tillering structure[12]

2 控制小麦分蘖数目的遗传位点

分蘖抑制突变体及其近源属种为小麦分蘖发育机制的研究提供了理想材料。迄今为止,采用分蘖抑制突变系及其近源属种已定位到4个分蘖抑制基因tin1、tin2、tin3和ftin[17-20]。

tin1来自于Alpha和一个北非陆地种杂交衍生的单茎小麦系,位于1AS染色体上,为隐性基因,与SSR标记Xgwm136共分离[17]。tin2来自于面包小麦品系88F2185,为显性基因,位于2A染色体上[18]。tin3来自于一个分蘖力受损的二倍体小麦(T.monococcumsubsp.)单茎突变体,位于3AL染色体上,与共显性标记Xpsr1205紧密连锁[19]。ftin来自于普通小麦与冰草杂交获得的可育分蘖抑制系Pubing 3558,位于1AS染色体上,与标记Xcfa2153紧密相连[20]。

连锁分析是进行作物复杂数量性状遗传解析的重要方法。前人利用双亲构建的RIL群体,在除1D、3A和5B之外的其他18条染色体上均定位到了控制小麦分蘖数目的QTL,可解释表型变异0.74%～55.40%,其中在两个及以上环境下能被检测到的基因/QTL信息如表1所示。

表1 已知控制小麦分蘖数目的遗传位点Table 1 Genetic loci controlling tiller number in wheat

Kato等[21]利用Cappelle-Desprez和中国春杂交衍生的RIL群体为材料,在5A染色体上鉴定到两个控制单株分蘖数目的稳定遗传位点,其中QTn.ocs.5A.1位于分子标记Xpsr370和Xcdo457之间,Vrn-A1处于分子标记Xrgs1912和Xrz395之间。Naruoka等[22]利用Reeder和Conan杂交构建的RIL群体为材料,在6B染色体上鉴定到一个控制有效分蘖数目的稳定QTL,位于标记wPt4716和wPt3581之间,可解释9%～17%的表型变异;该QTL同时在RIL群体McNeal/Thatcher和McNeal/Reeder以及近等基因系中均得到了验证。Xu等[23]利用EMS诱变望水白得到的多分蘖突变株系NAUH167,将其与苏麦3号进行杂交,对其后代衍生的RIL群体进行遗传定位,在2D染色体上定位到一个同时控制单株分蘖数目和单株有效分蘖数目的稳定QTL,位于分子标记Xcfd11和Xgpw361之间。Wang等[24]利用H461和川农16杂交构建的RIL群体为材料,在2B和2D染色体上分别定位到两个控制单株分蘖数目的稳定QTL,在多个遗传背景下均具有显著效应,其中Qltn.sicau-2B位于SNP标记BS00030136_51和wsnp_Ex_c25043_34305764之间;Qltn.sicau-2D位于SNP标记Ra_c1597_2155和BobWhite_c5392_324之间。Liu等[25]基于小麦55K芯片构建的全基因组遗传连锁图谱,利用20828和川农16杂交构建的RIL群体为材料,在4B染色体上定位到一个在多环境下稳定表达的有效分蘖数目QTL,位于标记AX-109526283和AX-110549715之间。Liu等[26]基于小麦55K芯片、SSR标记和KASP标记构建的高密度遗传连锁图谱,利用20828和SY95-71杂交构建的RIL群体为材料,在1BL染色体上定位到一个在多环境下稳定表达的有效分蘖数目QTL,位于标记AX-89635557和AX-111544678之间。Hu等[27]利用川农18和T1208构建的RIL群体,在4D染色体上发现一个同时控制单位面积最大分蘖数目和冬前单位面积分蘖数目的遗传位点,在该位点附近还存在一个与成穗率有关的QTL;Ren等[28]则在该RIL群体的多条染色体上定位到控制早期单位面积分蘖数目、冬前单位面积分蘖数目、单位面积最大分蘖数目和单位面积有效分蘖数目的遗传位点,其中控制单位面积最大分蘖数目的QTL在多个环境下能被检测到。

3 小麦分蘖数目相关基因的克隆

目前,通过图位克隆的方法还未在小麦中克隆到与分蘖数目相关的基因,但通过同源基因克隆的方法,已经克隆到8个与小麦分蘖数目相关的基因(TaMOC1、TaTB1、TaPAY1、TaPIN、TaD27、TaPIL1、TaSPL和TaD53)。这8个基因作用于小麦生长的不同生育阶段,通过与不同遗传因子或外源激素相互作用参与调控小麦分蘖。

3.1 TaMOC1基因

TaMOC1编码一种GRAS家族核蛋白,可促使小麦腋芽形成并促进其生长[5],另外在小麦叶原基的表皮细胞、茎尖分生组织、小穗原基和幼叶中也有表达[29-30]。涂田莉[30]研究发现,TaMOC1基因可能参与无效分蘖的形成,在TaMOC1-RNAi转基因T3代阳性株系中,越冬前期和拔节期的分蘖数目显著少于野生型,但抽穗期的有效分蘖数目与野生型无显著差异。杜丽君[31]通过对TaMOC1基因启动子区域顺式作用元件进行分析,发现TaMOC1基因可能通过与分生组织表达有关的顺式调控元件参与调控小麦分蘖。

3.2 TaTB1基因

TB1是控制小穗发育和调节株型的主要基因,在不同作物中功能非常保守。TB1基因最先在玉米中被克隆,可抑制玉米侧枝的发生,使玉米由祖先大刍草的多分枝性状变成单茎性状[32-34]。Lewis等[35]将玉米TB1基因转化到小麦品种Bobwhite中,发现过表达TB1基因抑制了小麦分蘖的形成。Dixon等[36]研究表明,TaTB-B1和TaTB-D1基因可抑制小麦腋芽的形成进而减少分蘖数目,同时可促进小穗的发育。

3.3 TaPAY1基因

PAY1基因可调节作物株型和产量[37]。研究表明,TaPAY1基因在小麦茎尖分生组织、叶原基、小穗原基和幼叶中均有表达,其表达受脱落酸、赤霉素、茉莉酸、生长素以及干旱、低温胁迫的调控,且拔节期和抽穗期TaPAY1-RNAi转基因T2代株系的分蘖数目较野生型均有所增加[16]。

3.4 TaPIN基因

生长素是一种具有极性运输特性的激素,在调控植物分蘖方面起重要的作用[38-41]。PIN蛋白是生长素运输的特异性蛋白,是生长素极性运输的限制因子[42-44]。目前在小麦中已鉴定出9个PIN1同源基因,其中TaPIN1-6基因在小麦茎尖和嫩叶中高表达[45]。在TaPIN1-RNAi转基因小麦株系中,TaPIN1s基因下调表达,使植株的分蘖数目增加,表明生长素可能介导小麦腋芽的产生,且TaPIN1-RNAi株系的小穗数、每穗粒数和千粒重较野生型均有所下降[45]。

3.5 TaD27基因

D27基因是独脚金内酯生物合成和信号转导过程中的关键基因,在调控分蘖数目方面具有重要作用。独脚金内酯是除生长素外调节分蘖数目的另一重要激素,其可通过抑制腋芽的伸长负调控分蘖数目[46]。TaD27基因编码一种独脚金内酯合成酶,进而影响小麦分蘖数目。TaD27-RNAi株系表现为独脚金内酯含量降低和分蘖增多,而TaD27-B过表达株系表现为独脚金内酯含量增多和分蘖减少[47]。此外,在水培条件下,GR24(合成独脚金内酯模拟物)和TIS108(独脚金内酯合成抑制剂)影响TaD27-RNAi株系和TaD27-B过表达株系的腋芽生长,表明TaD27-B通过参与独脚金内酯的生物合成来调控小麦分蘖[47]。

3.6 TaPIL1基因

Zhang等[48]研究表明,TaPIL1可作为一种新的分蘖抑制因子,激活TaTB1基因的转录,进而抑制小麦分蘖;过表达TaPIL1基因可降低小麦分蘖数目,而过表达TaPIL1-SUPERMAN抑制结构域则可增加小麦分蘖数目。

3.7 TaSPL基因

SPL转录因子参与植物生长发育过程,在作物株型调控方面具有重要作用,其典型特征是含有一个可以被miR156识别的SBP-box结构域。小麦miR156通过对TaSPL基因进行转录切割来调控分蘖数目,miR156的过表达可抑制TaSPL3/17基因的表达,进而增加小麦分蘖数目[49]。

3.8 TaD53基因

TaD53是小麦独脚金内酯信号通路的抑制因子,与转录共抑制因子TaTPL相互作用发挥功能。同时TaD53基因还可直接与miR156控制的TaSPL3/17蛋白相互作用,抑制TaTB1基因的表达,导致分蘖数目增加[49]。

4 研究展望

4.1 多角度多维度解析分蘖数目性状

为全面解析小麦分蘖数目遗传调控网络,对分蘖数目的遗传研究需要进一步细化和深入。在以往的研究中,单株分蘖数目和单株有效分蘖数目是研究的热点[21-26],不同时期的单位面积分蘖数目在近几年也有所涉及[27-28],而单位面积有效分蘖数目和成穗率则鲜有研究。在小麦生产中,单位面积有效分蘖数目和成穗率与最终产量显著相关,增加单位面积有效分蘖数目在一定程度上可以提升单位面积的产量水平;降低无效分蘖比率可提高小麦分蘖成穗率,有利于减少资源消耗,进而增强小麦的个体竞争力。在后续研究中,对单位面积有效分蘖数目和分蘖成穗率相关基因/QTL的挖掘和克隆有待加强,为精准改良分蘖性状和提高小麦单产水平提供参考。

4.2 利用基因组学技术促进小麦分蘖数目相关基因的克隆

前人利用同源基因克隆方法在小麦中克隆到多个与小麦分蘖数目相关的基因,但采用经典图位克隆的方法还未克隆到相关基因,原因可能是小麦庞大的基因组阻碍了功能基因组研究的步伐。随着高通量测序技术和基因组拼装技术的不断更新和发展,普通小麦[50]、祖先种[51-53]及其近缘属种[54-56]的高质量参考基因组已相继公布。小麦基因组测序技术的快速发展,加快了高密度SNP芯片的开发,为分子标记的开发和遗传图谱的构建提供了大量的遗传多态性信息。此外,小麦突变体数据库[57]、小麦表达谱数据库[58]和小麦族同源基因数据库[59]也已建立。基于上述丰富的基因组数据和转录组数据,在采用双亲群体进行遗传连锁定位的同时,可利用全基因组关联分析(genome-wide association study, GWAS)和转录组关联分析(transcriptome-wide association study, TWAS)进一步识别和确定候选基因,加快分蘖数目相关基因的挖掘进程。

4.3 利用基因编辑技术加快分蘖基因功能研究

普通小麦作为一种异源六倍体作物,大多数基因有三个拷贝,且同源基因之间可能存在功能冗余,这为基因功能验证带来了困难。利用RNA干扰可有效地沉默同源基因。近年来随着小麦遗传转化效率的极大提高,基于CRISPR/Cas9系统的基因编辑技术在小麦基因功能研究及品种改良中取得了重要进展[60-62]。基因编辑技术不仅可以针对单个基因,还可以靶向三个等位基因或串联基因簇,更加高效地进行基因功能分析,为揭示小麦分蘖的遗传调控网络和进行品种遗传改良提供帮助。