Q基因协同提升小麦产量和品质的机制解析取得进展

2025年3月1日，四川农业大学小麦研究所祁鹏飞小组在Journal of Genetics and Genomics在线发表了题为“Genome-wide analysis of Q binding reveals a regulatory network that coordinates wheat grain yield and grain protein content”的研究论文，揭示了Q基因在小麦籽粒灌浆阶段，通过介导光合作用和碳/氮代谢等通路，协同提升产量和品质的分子机制，为创制和育种利用Q优异等位变异提供了理论依据。

小麦是我国主要口粮作物之一，具有独特的加工品质。小麦的高产和优质对保障国家粮食安全和提升人民生活水平具有重要作用。小麦加工品质主要由种子储藏蛋白决定。因此，产量和籽粒蛋白含量是小麦育种和生产的关键目标性状，但这两个性状通常负相关。为同步提升产量和籽粒蛋白含量，生产上通常大量施用氮肥，这显著增加小麦种植成本并导致环境污染。而且，当籽粒蛋白含量和产量达到一定水平后，继续增施氮肥不再具有正效应。Q基因位于小麦5A染色体长臂，编码一个AP₂类型转录因子，在小麦驯化和去驯化中起重要作用（Simon et al. 2006;Jiang et al. 2019）。我们前期研究发现Q基因是决定小麦产量和籽粒蛋白含量的关键遗传因子之一，其优异等位变异可协同提升产量和籽粒蛋白产量/含量（Xu et al. 2018; Guo et al. 2022; Chen et al. 2022）。为充分利用Q基因的高产优质特性，我们利用多轮化学诱变+定向选择方法，向Q基因逐步引入点突变，优化其表达量和转录激活活性，创制了可协同提升品质和产量的优异等位变异（Chen et al. 2022）。但是，Q协同调控小麦产量和籽粒蛋白质积累的分子机制尚不明确。

灌浆期是小麦籽粒生长发育的“黄金时期”，对小麦的产量和品质的形成起重要作用。本研究基于蜀麦482背景含Q^c1（Q的上调表达等位变异；Xu et al. 2018）和驯化型Q等位变异（普遍存在于现代普通小麦品种中，来自于q的自然突变）的近等基因系，在灌浆期取样进行转录组分析，鉴定受Q调控的差异表达基因，并对这些差异表达基因进行表达模式聚类和GO富集分析。发现差异表达基因在光合作用、碳代谢、氮代谢和转运蛋白等生物学过程显著富集（图1）。这有利于提高产量和籽粒蛋白质产量/含量。

图1籽粒灌浆期，近等基因系SM482-Q和SM482-Q^c1差异表达基因的表达模式聚类及GO富集分析

测定近等基因系的种子储藏蛋白组分、氨基酸组分及含量以及源器官向籽粒的氮转运能力，发现上调表达Q基因可显著提高小麦源器官的氮素装载和运输水平，增强籽粒的氮同化以及氨基酸的转运能力（图2）。这有利于提高产量和籽粒蛋白质产量/含量。

图2SM482-Q和SM482-Q^c1氮同化相关生理指标比较

A-D：籽粒中游离氨基酸（A）、水解氨基酸（B）、谷蛋白（C）和醇溶蛋白（D）含量；E-G：抽穗期到成熟期旗叶（E）、倒一节（F）和穗（G）中的氮含量变化；G：抽穗期到成熟期旗叶、倒一节和穗氮积累量、氮转运量及转运率

DAP-seq解析Q蛋白在全基因组的DNA结合情况，发现Q蛋白的DNA结合位点近90%分布在基因的远端区域，其余富集在启动子、外显子、内含子等区域；这些潜在的靶基因在光合作用、碳代谢尤其氮代谢过程中富集；鉴定了9个，验证了3个Q结合元件（TTAAGG、AAACA[A/T]A和GTAC[T/G]A）（图3）；利用DAP-qPCR和双荧光素酶报告实验证明DAP-seq数据和分析结果可靠。

图3Q蛋白在籽粒灌浆期的全基因组DNA结合情况分析及靶基因鉴定

分析DAP-seq数据发现，Q的基因序列中存在3个Q蛋白结合区域（Q-Frag1~3）。双荧光素酶报告实验和凝胶阻滞实验结果表明Q蛋白可结合并显著提高Q-Frag2的转录水平。这表明Q存在自身正反馈调控，其中外显子8、内含子8和外显子9是关键调控区域（图4）。Q蛋白对自身的正反馈调控放大了Q的调控能力，是Q基因协同调控产量和籽粒蛋白产量/含量的关键之一。

图4Q存在自身正反馈调控

在普通小麦中转基因过表达Q的直接靶基因GSr-4D（编码谷氨酰胺合成酶，是氮同化的关键酶之一）。发现过表达GSr-4D可提高籽粒蛋白质含量、总谷蛋白含量、低分子量谷蛋白含量、总醇溶蛋白含量、a-醇溶蛋白含量和g-醇溶蛋白含量（图5）。

图5过表达GSr-4D对小麦农艺性状及籽粒蛋白的影响

综合本研究及团队的前期结果，发现：

1）Q基因直接/间接调控一系列光合作用以及碳/氮代谢相关基因的表达；

2）上调表达Q基因显著提高小麦源器官的有机物合成和运载能力；

3）Q基因microRNA172结合区域的突变、AP2结构域及其附近区域的变异、Q蛋白C末端的变异、Q的自身正反馈调控等因素的协同优化，是创制可协同提升产量和品质的Q优异等位变异的关键；

4）已阶段性获得具有育种价值的Q优异等位变异。如有需要，可联系祁鹏飞pengfeiqi@hotmail.com；

5）继续解析Q的作用机制，有助于更好发挥Q协同提高产量和籽粒蛋白质产量/含量的效应；

6）Q在B和D基因组存在同源拷贝5Bq和5Dq，我们正在创制具有育种价值的5Bq和5Dq优异等位变异，已有较好进展。初步结果显示综合利用Q、5Bq和5Dq的优异等位变异有望更好提升小麦产量和品质。

图6Q基因协同提升小麦产量和籽粒蛋白质含量的模式图

四川农业大学小麦研究所魏育明教授和祁鹏飞教授为论文通讯作者，博士毕业生朱静为论文的第一作者。本研究得到国家重点研发计划项目（2023YFD1200404）、国家自然科学基金（32072054）和四川省科技厅（2024ZYD0160）的资助。

相关文献

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