TaMyb10序列变异与籽粒颜色、穗发芽关系

2024年2月26日，The Plant Journal在线发表了四川农业大学王际睿课题组题为“Variation ofTaMyb10and their function on grain color andpre-harvest sprouting resistance of wheat”的研究成果。

穗发芽（Pre-harvest Sproutin）是禾本科作物成熟但未收获的籽粒在高温高湿环境下穗上发芽的现象，造成产量与质量大幅度下降。参与小麦抗穗发芽基因中，PHS-3D（TaMyb10-D）起着至关重要的作用。前期该课题组利用人工合成六倍体SHW-L1（红粒，抗穗发芽）与栽培品种川麦32（白粒、感穗发芽）杂交构建高代RILs群体，定位到qPHS.sicau-3D位点，解释42.47%的表型变异，且qPHS.sicau-3D与调控籽粒颜色R位点相近（Yang et al.,2019）。进一步，通过精细定位、基因功能研究、转录组学和代谢组学分析表明，TaMyb10-D编码类黄酮代谢途径(籽粒红色基因R)和ABA合成途径（抗穗发芽基因PHS-3D），实现“一因多效”的作用，阐明了小麦籽粒颜色和发芽率的内在联系（Lang et al.,2021）。

本研究对416份面包小麦和302份节节麦的TaMyb10基因序列变异进行分析，鉴定出3个PAV变异和8个SNP变异。61.3％的种质资源在TaMyb10-A序列中存在214～305个碱基的缺失；79.3％的种质资源在TaMyb10-B序列第三外显子区域具有19个碱基的缺失；40.8％的种质资源由于3D染色体上缺乏2.4 Mb的片段（插入/缺失突变），导致该区段的TaMyb10-D/PHS-3D缺失。3个PAV变异和8个SNP变异共产生13种基因型，其中4种基因型具有PAV变异导致不能编码成熟蛋白，剩下的9种基因型编码5种成熟蛋白类型，尽管5种蛋白类型具有序列变异，但五种不同的蛋白质类型在结合下游基因（CHS，DFR和NCED）启动子方面具有相似的功能。TaMyb10-A、TaMyb10-B和TaMyb10-D在调控籽粒颜色和穗发芽抗性中具有功能冗余。

1.面包小麦和节节麦中TaMyb10 CDS序列变异

小麦是异源多倍体，具有A、B、D三个基因组。对416份小麦和302份节节麦中Myb10的CDS序列进行分析，鉴定出3个PAV变异和8个SNP变异。针对这些变异，成功开发三个STS标记和4个KASP标记。这些变异共产生13种基因型，其中4种基因型具有PAV变异导致不能编码成熟蛋白，剩下的9种基因型编码5种成熟蛋白类型。

图1 TaMyb10序列变异和标记开发2.TaMyb10不同基因组地理分布

对416份小麦品种进行地理分布分析，TaMyb10-A-III^Dele、TaMyb10-B-IV^Dele和TaMyb10-D-V^Dele基因型在小麦种群中占主导作用。

图2 TaMyb10不同基因型地理分布

3.TaMyb10五种蛋白类型在类黄酮和ABA途径中与下游基因的结合功能

通过分析TaMyb10-D-I过表达（OE）株系转录组数据，鉴定到21个类黄酮合成途径上调基因，这些被认为是TaMyb10激活的候选基因。酵母单杂结果表明，TaMyb10-D-Pro I激活CHS-7500、CHS-7700、CHS-8400、CHS-8700、DFR-7900、DFR-8000启动子区域。且TaMyb10-A-Pro I、TaMyb10-B-Pro I、TaMyb10-A-Pro II和TaMyb10-D-Pro II蛋白类型具有相似的功能。

图3 TaMyb10五种蛋白类型功能研究4.TaMyb10的保守序列调控下游基因

五种TaMyb10蛋白序列一致性为95.32%，在C端序列中分离出三个高度保守的片段，以评估TaMyb10的C端结构域残基是否能够与下游基因的启动子结合。酵母单杂结果表明，187-215的氨基酸结构域对CHS-7700和DFR-7900启动子的结合能力；147-163的氨基酸结构域对CHS-8700、DFR-7900和NCED-8800启动子的结合能力；221-231的氨基酸结构域对CHS-8400和DFR-8000启动子的结合能力。上述结果表明，激活区域的氨基酸序列高度保守，导致TaMyb10的五种蛋白可以结合并激活下游基因。

图4 TaMyb10高度保守氨基酸序列绑定激活下游基因启动子

5.TaMyb10与籽粒颜色和发芽率的关系

为了评估TaMyb10在A、B和D基因组对种子发芽率（GPs）和谷物颜色的调节影响，选择了六份具有明显TaMyb10组合差异材料进一步研究。JiangXiZao和Mocho Cabecudo在A、B和D基因组都具有完整的TaMyb10。Chuanmai104在A和D基因组具有完整的TaMyb10；Chinese Spring（CS）只在D基因组中具有完整TaMyb10；Shumai580和Fielder在A、B和D基因组都缺乏完整的TaMyb10。下游基因（除DFR-8000以外）在不含有完整TaMyb10基因型的材料SM580和Fielder表达较低或者不表达，在含有任何完整TaMyb10基因型材料中正常表达。

对229个小麦品种评估TaMyb10、种子颜色和穗发芽（PHS）抗性之间的关系。150份材料具有TaMyb10-A-III^Dele、TaMyb10-B-IV^Dele和TaMyb10-D-V^Dele基因型，平均GPs为84.31%。23份材料只含有完整TaMyb10-A，平均GPs为73.81%。6份材料只包含完整TaMyb10-B，平均GPs为79.86%。4份材料只包含完整的TaMyb10-D，平均GPs为24.30%。13份材料在A、B和D基因组含有完整TaMyb10基因型，平均GPs为30.43%。TaMyb10-A、TaMyb10-B和TaMyb10-D对表型变异贡献率分别为4.36%、10.29%和37.32%。这些结果表明，TaMyb10的功能作用在不同品种中是普遍适用。

图5 TaMyb10与籽粒颜色和发芽率的关系

本研究通过序列变异分析、功能研究、表型变异分析，增进了对Myb10的序列变异和功能分化的理解，为小麦的穗发芽抗性提供了必要的资源。

四川农业大学小麦研究所在读博士郎静为本论文的第一作者。本研究得到了中国科技创新2030重大项目（2023ZD04069）、国家农业科技成果转化资金（NK20220607）、国家自然科学基金（U22A20472；32301837；32301810）、国家重点研发计划（2018YFE0112000）、四川省科技支撑计划（2021YFH0077；23NSFSC0770）、成都市科技支撑计划（2021-GH03-00002-HZ）和国家人类遗传资源共享服务平台开放基金（SKL-ZD202212）支持。