提高小麥產量的里程碑：克隆基因提高籽粒產量

小麥是全球分布最為廣泛的糧食作物，世界上有超過40%的人口以小麥為主食。提高小麥產量，事關全球糧食安全。

4月10日，科技日報記者從南京農業(yè)大學獲悉，該校農學院應用植物基因組團隊賈海燕教授與美國俄克拉荷馬州立大學、中國農業(yè)科學院等機構合作，發(fā)現(xiàn)并克隆了一個提高小麥籽粒產量的關鍵基因TaCol-B5，他們同時揭示了該基因產生的蛋白與磷酸化激酶的相互作用，為蛋白質磷酸化可能參與小麥穗形成和籽粒產量提供了示范。該成果近日發(fā)表于國際學術期刊《科學》，其配發(fā)的評論文章認為，“TaCol-B5的發(fā)現(xiàn)是提高谷物產量的一個里程碑，因為它提高了我們對控制株型和產量的分子機制的理解”，“該論文對TaCol-B5的鑒定為挖掘小麥產量潛力提供了一條新途徑”。

據(jù)介紹，普通小麥的籽粒產量受三個主要因素影響：單位面積的穗數(shù)、每穗粒數(shù)和粒重。穗數(shù)可以通過促進分蘗而增加，每穗粒數(shù)分為小穗數(shù)和每小穗粒數(shù)兩個亞組分，增加小穗數(shù)是提高粒數(shù)但不降低粒重的有效途徑。

“上世紀60年代，以降低農作物株高、半矮化育種為特征的第一次‘綠色革命’，使得全世界水稻和小麥產量翻了一番，解決了溫飽問題。近年來，雖然小麥新品種迭出，籽粒產量不斷提高，但增速相對緩慢。”論文共同第一作者賈海燕告訴科技日報記者。

如何找到基因提高小麥產量，激發(fā)著學者們的研究興趣。“最初，我們發(fā)現(xiàn)小麥‘CItr17600’的粒數(shù)較多，就想把控制這一表型的基因克隆出來，但這需要先‘鎖定’對應的基因組區(qū)域，然后再驗證候選基因是否決定了它的高產。”2018年賈海燕在美國俄克拉荷馬州立大學做訪問學者時，便與研究者們去田間調查小麥小穗節(jié)數(shù)和穗粒數(shù)，然后再回實驗室做分析。

研究人員先利用CItr17600和揚麥18的F2:3家系，將一個控制每穗小穗節(jié)數(shù)的主效數(shù)量性狀基因定位在7B染色體上，接著通過重組體表型和基因型分析和雙親序列比對，確定TaCol-B5為候選基因。

隨后，他們從CItr17600中克隆了TaCol-B5的cDNA，將其轉化到揚麥18中，表型分析發(fā)現(xiàn)在轉基因的不同后代都顯著提高了穗數(shù)、每穗小穗節(jié)數(shù)及其粒數(shù)，從而證實TaCol-B5為提高產量的關鍵基因。

TaCol-B5基因為何能提高籽粒產量?“我們在對比單倍型基因產物序列時發(fā)現(xiàn)，高產TaCol-B5與低產TaCol-B5蛋白之間有3個氨基酸存在差異，于是設想這三個不同的氨基酸，是否影響與其他蛋白的相互作用，繼而影響了籽粒產量。”賈海燕介紹。

經實驗，研究者發(fā)現(xiàn)高產單倍型TaCol-B5的第269位的絲氨酸被甘氨酸取代后，影響了該蛋白與磷酸化激酶TaK4的互作。

“研究表明，該氨基酸的替換影響了TaK4對TaCol-B5/TaCol-B5的磷酸化，而在以往的研究中還沒有發(fā)現(xiàn)蛋白磷酸化與作物籽粒產量的關系。”論文的共同第一作者、中國農科院作物所李甜副研究員說。

值得關注的是，研究人員發(fā)現(xiàn)克隆的高產小麥等位基因TaCol-B5存在古老的四倍體的二粒小麥中，但在全球現(xiàn)代小麥品種中極為罕見。來自全球各地的1657份小麥種質，僅有33份小麥種質攜帶這一優(yōu)良基因，在檢測的346中國小麥品種中，只有四個品種擁有這一高產基因。

“這可能與小麥矮化育種有關，因為現(xiàn)代的理想株型普遍較矮，TaCol-B5在選擇育種過程中丟失了。利用這一基因雖然增加了株高，但可以實現(xiàn)產量的突破。”賈海燕分析。(科技日報記者 金鳳)

關鍵詞： 小麥產量 克隆基因 籽粒產量 蛋白質磷酸化