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在Q基因中引入错义突变协同提高小麦产量和籽粒蛋白含量

作者: 祁鹏飞   审稿人:魏育明     时间: 2022-09-20 点击次数:


四川农业大学小麦研究所和山东省农业科学院作物研究所合作在International Journal of Molecular Sciences, 2022, 23, 10772. https://doi.org/10.3390/ijms231810772)发表了题为Increasing the grain yield and grain protein content of common wheat (Triticum aestivum) by introducing missense mutations in the Q gene的研究论文。作者利用化学诱变方法创制了小麦驯化关键基因Q的两个等位变异(Qs1Qc1-N8),调查了这两个等位变异的产量和品质效应,着重探讨了Qc1-N8的育种价值。

小麦是重要的口粮作物,具有独特的加工品质,对保障粮食安全和提升生活水平具有重要作用。小麦的加工品质主要由籽粒储藏蛋白决定。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,这会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,继续增加氮肥用量不再具有正效应。因此,鉴定可打破产量和籽粒蛋白含量负相关关系的基因/等位变异具有重要价值。

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,其上调表达等位变异Qc1可显著提高千粒重、籽粒蛋白含量(~60 g kg1)和面包体积(~37%)(Xu et al. 2018; Guo et al. 2022)。相比在现代品种中广泛存在的Q等位变异,Qc1等位变异的miRNA172结合位点内存在一个C-T的单碱基突变,这抑制了miRNA172Qc1转录本的切割,提高了Qc1的表达量。在增加籽粒蛋白含量的同时,Qc1也导致小麦穗型过密、株高过矮,不利于育种利用(Xu et al. 2018)。

AP2结构域对Q蛋白行使功能起重要作用。我们首先利用化学诱变,创制了Q基因的等位变异Qs1(图1现代小麦品种中广泛应用的Q等位变异相比,Qs1AP2结构域有一个氨基酸变异,它可显著降低穗密度,增加株高,但不影响籽粒蛋白含量等加工品质参数。这提示在等位变异Qc1AP2结构域引入错义突变,有望获得可协同提高小麦产量和籽粒蛋白含量,农艺性状良好,具有较好育种价值的新等位变异。

为验证这一猜想,我们通过化学诱变,在Qc1等位变异的AP2结构域引入一个错义突变,获得等位变异Qc1-N8现代小麦品种中广泛应用的Q等位变异相比,Qc1-N8AP2结构域和miRNA172结合区域各有一个氨基酸变异(图1),它可在不影响穗长、穗密度、小穗数和有效分蘖的情况下,显著增加穗粒数(10%左右)、千粒重和籽粒蛋白含量(> 2个百分点),并且显著降低株高,表现出较好的育种价值(图23

为方便育种利用Qc1-N8等位变异,设计了特异CAPS标记(图4)。

受多种因素限制,论文仅在有限遗传背景和环境条件下比较了Qc1-N8的产量和品质效应。好的基因应在多样的遗传背景和生态条件下均表现出预期正效应。恰逢小麦播种时节,若有老师对这份材料感兴趣,请联系(pengfeiqi@hotmail.com),我们将尽快邮寄。

以上结果说明优化Q的表达量,创制Q等位变异,可提高小麦产量和籽粒蛋白含量,为小麦的高产优质高效育种目标服务。普通小麦是异源六倍体,含有ABD三个基因组,Q基因在BD基因组也存在同源拷贝。为充分挖掘Q的育种潜力,研究团队正在解析其高产优质的机制,也正在进一步优化小麦三个基因组的Q拷贝。

 

Fig S1

1 四个Q等位变异氨基酸序列比对

 

Fig6

2 蜀麦482和突变体NS8(含Qc1-N8等位变异,它由Q的上调表达等位变异Qc1突变而来)的表型比较。(a蜀麦482(左)和NS8(右)的穗;(b)蜀麦482(左)和NS8(右)的植株;(c-d)分别是蜀麦482(左)和NS8(右)的粒长、粒宽、千粒重和籽粒蛋白含量比较;(g)和(h)分别是蜀麦482(上)和NS8(下)的籽粒宽度和长度比较;**, P < 0.01*, P < 0.05

 

Fig6

3 蜀麦482和突变体NS8(含Qc1-N8等位变异)的穗粒数(a)、株高(b)、分蘖数(c)、穗长(d)、小穗数(e)和穗密度(f)比较

 

 

Fig7

4 Qc1-N8的特异CAPS标记

 

四川农业大学小麦研究所祁鹏飞教授、陈庆、郭祯儒、石晓丽、范娅珍、魏育明教授、郑有良教授等和山东省农科院作物所曹新有研究员参与了本研究。研究得到国家自然科学基金 (320720543197193931901961) 和四川省科技厅 (2019YFH00662020YFH0150) 的资助。

 

相关文献

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2. Jiang, Y.F.; Chen, Q.; Wang, Y.; Guo, Z.R.; Xu, B.J.; Zhu, J.; Zhang, Y.Z.; Gong, X.; Luo, C.H.; Wu, W.; Liu, C.H.; Kong, L.; Deng, M.; Jiang, Q.T.; Lan, X.J.; Wang, J.R.; Chen, G.Y.; Zheng, Y.L.; Wei, Y.M.; Qi, P.F. Re-acquisition of the brittle rachis trait via a transposon insertion in domestication gene Q during wheat de-domestication. New Phytol. 2019, 224, 961973. https://doi.org/10.1111/nph.15977

3. Guo, Z.; Chen, Q.; Zhu, J.; Wang, Y.; Li, Y.; Li, Q.; Zhao, K.; Li, Y.; Tang, R.; Shi, X.; Tan, K.; Kong, L.; Jiang, Y.; Jiang, Q.; Wang, J.; Chen, G.; Wei, Y.; Zheng, Y.; Qi, P.F. The Qc5 allele increases wheat bread-making quality by regulating SPA and SPR. Int. J. Mol. Sci. 2022, 23, 7581. https://doi.org/10.3390/ijms23147581

4. Chen, Q.; Guo, Z.; Shi, X.; Wei, M.; Fan, Y.; Zhu, J.; Zheng, T.; Wang, Y.; Kong, L.; Deng, M.; Cao, X.; Wang, J.; Wei, Y.; Jiang, Q.; Jiang, Y.; Chen, G.; Zheng, Y.; Qi, P.F. Increasing the grain yield and grain protein content of common wheat (Triticum aestivum) by introducing missense mutations in the Q gene. Int. J. Mol. Sci. 202223, 10772. https://doi.org/10.3390/ijms231810772

5. Simons, K.J.; Fellers, J.P.; Trick, H.N.; Zhang, Z.; Tai, Y.; Gill, B.S.; Faris, J.D. Molecular characterization of the major wheat domestication gene Q. Genet. 2006, 172, 547–555. https://doi.org/10.1534/genetics.105.044727

 

 

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