控制波兰小麦长粒的主效基因

小麦产量主要由单位面积穗数、穗粒数和粒重三因素构成；其中，粒重又主要由粒长、粒宽和粒厚决定，即小麦粒长能直接决定小麦产量。因此，挖掘、鉴定和利用小麦粒长基因或位点是小麦种质资源保护、开发和利用的重点。周永红教授团队近期在The Crop Journal在线发表了题为“Identification and validation of a major gene for kernel length at theP1locus inTriticum polonicum”的研究论文，揭示了控制波兰小麦长粒的主效基因KL-PW。通过多年多点QTL分析、遗传定位、构建近等基因系以及单倍型分析，确定了控制波兰小麦长粒的基因KL-PW为编码MIKC型MADS-Box蛋白的VRT-A2^PW。由于波兰小麦VRT-A2^PW第一内含子处157 bp插入和560 bp缺失突变导致该基因的转录水平发生了可变剪切，具有两条转录本序列，即VRT-A2^PW1和VRT-A2^PW2。产生的新转录本VRT-A2^PW2包含了第一内含子的全部序列，该转录本可能编码只包含I（intervening domain）、K（kertain-like domain）和C（C-terminal domain）结构域的蛋白，且显著提高了波兰小麦VRT-A2^PW的表达量。

图1 波兰小麦和简阳矮蓝麦VRT-A2的基因结构

不同浓度的油菜素内酯处理KL-PW近等基因系，发现NIL-KL-PW^PW-1（长粒）和NIL-KL-PW^Ailanmai-1（短粒）在低浓度（0和0.001 μmol L^-1）处理下主根和叶片形态无明显差异，但在高浓度（0.01和0.1 μmol L^-1）处理下主根和叶片的生长显著受到抑制，且对NIL-KL-PW^Ailanmai-1的抑制作用显著高于NIL-KL-PW^PW-1（图3）；籽粒发育期的表达量分析发现油菜素内酯合成和信号转导途径相关基因的表达量存在显著差异（图3）。NIL-KL-PW^PW的籽粒表皮细胞显著长于NIL-KL-PW^Ailanmai的籽粒表皮细胞（图3）。这些结果表明VRT-A2^PW可能为油菜素内酯信号转导途径中的正向调控因子，其通过促进籽粒表皮细胞的伸长，从而引起波兰小麦的长粒。

图3 近等基因系油菜素内酯的敏感性分析、油菜素内酯合成及信号转导途径关键基因表达量分析以及籽粒表皮细胞观察

图4 VRT-A2^PW在普通小麦中的应用

同时，将VRT-A2^PW导入普通小麦能显著增加粒长（图4）。研究结果不仅揭示了波兰小麦粒长基因KL-PW的分子基础，也为提高小麦产量提供了重要的基因资源。该研究得到国家自然科学基金项目（31671688）、四川省科技厅应用基础研究项目（2020YJ0141）和四川农业大学双支计划的资助。