小麥產(chǎn)量的提升主要依賴于單產(chǎn)的提高。小麥籽粒中近70%為淀粉，淀粉合成可顯著影響小麥千粒重（Thousand kernel weight，TKW）和產(chǎn)量。ADP-葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白（BT1）介導(dǎo)的底物ADP-葡萄糖（ADP-glucose，ADPG）的跨膜轉(zhuǎn)運是淀粉合成途徑的重要限速步驟之一。此項研究對TaBT1基因的遺傳效應(yīng)進行解析，并探究其在小麥育種過程的選擇歷程，為小麥高產(chǎn)育種提供參考。
 

      研究人員首先利用同源克隆的方式獲得TaBT1的三個同源基因，并將其定位于染色體6A、6B和6D上。對其表達方式進行探究，發(fā)現(xiàn)TaBT1主要在幼穗和發(fā)育的籽粒中表達，且花后10天籽粒中的表達量達到高峰，A基因組相對表達量最高，D組次之，B組最低。利用小麥葉片原生質(zhì)體對TaBT1蛋白進行亞細胞定位，發(fā)現(xiàn)該蛋白定位于質(zhì)體上。
 

      利用RNAi技術(shù)對TaBT1的遺傳效應(yīng)進行探究，花后10天時，三個小麥代表性陽性株系的表達量較野生型分別下降20.8%、50.3%和69.5%，其中有效分蘗數(shù)、小穗數(shù)及穗粒數(shù)未呈現(xiàn)顯著變化，而籽粒明顯變小（Fig. 1）。另外，轉(zhuǎn)基因株系的淀粉粒組成發(fā)生了明顯改變，淀粉粒排布松散（Fig. 2），總淀粉含量及A、B型淀粉粒的比例也發(fā)生了較為明顯的變化（Fig. 3）。三個株系的TKW分別降低15.7%、31.1%和47.3%（P < 0.01）。以上研究表明TaBT1可通過調(diào)控小麥淀粉合成通路，顯著影響TKW。

 

Fig. 1. 干擾TaBT1表達導(dǎo)致籽粒變小  

Fig. 2. 干擾株系中籽粒淀粉合成發(fā)生異常，A、B型淀粉粒的比例顯著改變

  

Fig. 3. 隨著干擾程度的加重，籽粒中B型淀粉粒的比例明顯增加，總淀粉含量顯著下降
 

      通過對TaBT1進行重測序，發(fā)現(xiàn)TaBT1-6A和TaBT1-6D均不存在多態(tài)性，TaBT1-6B編碼區(qū)及調(diào)控區(qū)存在24處等位變異，可形成三種單倍型TaBT1-6B-Hap1、TaBT1-6B-Hap2和TaBT1-6B-Hap3。其中，Hap1和Hap2為與高TKW相關(guān)聯(lián)的優(yōu)異單倍型。分子標記CAPS-1664和InDel-2029可用于區(qū)分三種單倍型（Fig. 4）。

 Fig. 4. 單倍型及其跟蹤標記的開發(fā)
 

       隨后，研究人員構(gòu)建次生材料，利用導(dǎo)入系對單倍型表型進行驗證。結(jié)果表明，Hap1型株系平均TKW為50.6 g，顯著高于Hap3型株系（45.3 g）（P < 0.05）；Hap1和Hap2型株系的平均相對表達量最高，分別為Hap3的4.3和2.7倍（P < 0.01）；β-葡萄糖苷酸酶活性分析發(fā)現(xiàn)Hap1和Hap2型啟動子的驅(qū)動活性最高，分別為Hap2和Hap3的3.1和2.0倍（P < 0.01）（Fig. 5）。表明啟動子區(qū)的變異可能引起基因表達的變化，進而造成單倍型之間的千粒重差異，且優(yōu)異單倍型Hap1和Hap2型具有相對較高的啟動子活性。

Fig. 5. 以GUS為標記的轉(zhuǎn)基因研究表明單倍型之間的差異主要由啟動子區(qū)的變異造成
 

      對TaBT1不同單倍型在育種過程中的選擇進行分析，發(fā)現(xiàn)在由我國地方種到育成品種的演化過程中，優(yōu)異單倍型Hap1和Hap2受到強烈的人工正向選擇，且隨著育種年代的推進，優(yōu)異單倍型頻率逐漸升高；全球六大小麥主產(chǎn)區(qū)中Hap1和Hap2的高頻率分布表明育種過程中對高TKW的選擇是全球性的（Fig. 6）。

Fig. 6. 全球小麥育種中對該基因進行了比較強烈的選擇
 

      最后，研究人員對BT1在多倍化過程中的核苷酸多態(tài)性進行分析，發(fā)現(xiàn)在多倍化過程中BT1-6B的核苷酸多態(tài)性呈顯著下降（πDI/πTE = 7.18, P < 0.05）；BT1-6B從栽培二粒到硬粒小麥的選擇效應(yīng)（πDM/πDR = 11.9）強于由野生二粒到栽培二粒的馴化效應(yīng)（πDI/πDM = 1.3）。另外六倍體核苷酸多態(tài)性的變化表明育種過程也會導(dǎo)致BT1-6B多態(tài)性的降低，說明該基因在小麥進化過程中也受到選擇，是小麥馴化選擇的重要基因。
 

      2019年02月07日張學勇研究員團隊在Journal of Experimental Botany雜志在線發(fā)表了這一研究成果（doi.org/10.1093/jxb/erz032），題目為“TaBT1 affecting starch synthesis and thousand kernel weight, underwent strong selection during wheat improvement”。中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所王雅美博士為第一作者，張學勇研究員為通訊作者。該研究得到了國家重點研發(fā)專項計劃（2016YFD0100302）、國家自然科學基金（31471492）、農(nóng)業(yè)部國際合作項目（2016-X16）以及中國農(nóng)業(yè)科學院科技創(chuàng)新工程的資助。
 

      PS: 再次感謝張老師的支持，同時也感謝雅美博士和金棟博士，第一時間將文稿寫好推送過來！祝大家新的一年有新的收獲！