揭示小麦远缘杂交种质创新“新工具”基因phKL的作用规律

 转载自：The Crop Journal （《作物学报（英文版）》）微信公众号

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种质资源的挖掘和创新利用是作物遗传改良的基础。在三大粮食作物中，普通小麦拥有最多的近缘属种。这些近缘属种是培育突破性小麦新种质和品种的重要基因资源。然而，由于物种间的遗传分化和控制小麦染色体配对重组的Ph基因系统的影响，普通小麦染色体与近缘属种染色体（两者间互为部分同源染色体）在减数分裂过程中通常不能自由地配对重组，阻碍了外源优良基因向小麦的遗传转移和育种利用。操控小麦Ph基因是打破这一屏障的重要方法。小麦Ph基因系统既包含抑制部分同源染色体配对重组的基因，也有促进部分同源染色体配对重组的基因。过去几十年，失活强效抑制部分同源染色体配对重组的Ph1基因（位于5BL染色体臂；ph1b、ph1c和5B缺体等），几乎是唯一可用于诱导部分同源重组来创制小麦-外源、小麦-小麦易位的工具基因。虽然以ph1b为代表的Ph1基因缺失突变体在诱导小麦-外源和小麦-小麦易位中的频率高，但过强的诱导效应也导致大量的非目标部分同源重组，引起目标易位系的细胞学不稳定，进而育性降低和生长发育畸形等，影响育种利用效率。改良和开发新的诱导部分同源配对重组基因，是提高小麦染色体工程育种效率的重要途径。

近日，四川农业大学联合美国加州大学河滨分校和四川省农业科学院在The Crop Journal在线发表了题为“The KL system in wheat permits homoeologous crossing over between closely related chromosomes”的研究论文，作者证实了四川地方品种开县罗汉麦（简称KL）促进部分同源染色体配对基因phKL可在六倍体背景下诱导小麦-外源部分同源染色体重组形成易位，并分析了phKL在单倍体和六倍体背景下诱导部分同源染色体配对的规律，为小麦远缘杂交种质创新提供了新的工具。

研究者比较了KL单倍体和中国春（CS）单倍体的染色体配对规律（图1），发现KL单倍体的部分同源染色体水平显著高于中国春（CS）。亲缘关系更近的A-D基因组间的部分同源染色体配对频率显著高于B-D和A-B基因组，表明phKL基因的诱导效应对目标染色体间的亲缘关系敏感。phKL的作用受到高温和施加高浓度镁离子的影响。高温下，phKL诱导的部分同源染色体配对水平下降。而施加高浓度的镁离子时，配对水平无明显变化，但配对发生的位置向染色体臂的中部偏移，可能对改良重组发生位置具有潜在利用价值。

研究者构建了3个应用phKL基因诱导部分同源染色体重组的六倍体群体（图2），目标部分同源染色体对分别是小麦-易变山羊草2S^v-2B和2S^v-2D，以及小麦-黑麦2RL-2BL。通过转录组数据开发的KASP标记、FISH标记、C带标记和小麦55K SNP芯片分析等方法筛选重组染色体（图3），发现phKL诱导2S^v-2B、2S^v-2D和2RL-2BL染色体重组的频率分别为1.68%、0.17%和0。该结果首次证明，phKL能够作为新的染色体工程育种工具基因，在普通小麦背景下诱导小麦-外源部分同源染色体配对重组形成易位。同时，与单倍体结果类似，phKL在六倍体小麦背景中的诱导能力也与目标染色体间的亲缘关系有关。亲缘关系越近，诱导重组的频率越高。进一步分析了2S^v-2B易位系群体的重组物理位置，发现约92%的重组发生在2B染色体端部约30%的物理区间内（图4）。2RL染色体臂在减数分裂中极少与小麦染色体配对（图5），解释了没有获得2RL-2BL易位染色体的原因。同时，研究者在讨论中比较了ph1b和phKL诱导部分同源染色体重组的特征，以及在染色体工程应用中的优缺点，提出在具体应用Ph基因的染色体工程操作或育种时，要根据目标染色体间的亲缘关系和实验目的进行合理选择。相比于ph1b，phKL基因可能更适宜亲缘关系较近的染色体操作。

图1 KL单倍体和CS单倍体的染色体配对规律

图2 phKL基因诱导部分同源染色体重组的群体构建

图3 FISH探针鉴定2S^v-2B群体的重组染色体

图4 2S^v-2B易位系群体重组位置的物理分布

图5 2BS.2RL染色单体在减数分裂中的四种构型