调控小麦穗发育与粒数的关键因子：qSL2B/TaeEF1A基因的鉴定与解析

摘要：小麦是全球重要的主粮作物，提高其产量对于保障粮食安全至关重要。小麦的产量由单位面积穗数、穗粒数和千粒重决定。其中，穗长（Spike length, SL）是影响产量的重要农艺性状之一，它直接关联到每穗小穗数（SNS）和穗粒数（GN）。研究表明，穗长与SNS、G

小麦是全球重要的主粮作物，提高其产量对于保障粮食安全至关重要。小麦的产量由单位面积穗数、穗粒数和千粒重决定。其中，穗长（Spike length, SL）是影响产量的重要农艺性状之一，它直接关联到每穗小穗数（SNS）和穗粒数（GN）。研究表明，穗长与SNS、GN、收获指数、地上生物量及最终产量等多个产量相关性状呈正相关。因此，鉴定和利用控制穗长的遗传位点是提高小麦产量的关键途径。虽然已有多个控制穗长的数量性状位点（QTL）被定位，部分基因（如TaCol-B5TaHOX4TaAIRP2-1BTaARF12）已被克隆，但这些基因往往影响多个性状，其育种价值尚不明确。因此，挖掘更多穗发育相关基因/QTL并解析其分子机制，对于现代小麦分子设计育种仍然具有重要意义。

山东农业大学农学院小麦育种专家Shubing Liu教授和Yuye Wu教授团队在The Crop Journal杂志（预印版）在线发表了题为“qSL2B/TaeEF1A regulates spike development and grain number in wheat”的研究论文。该研究利用重组自交系（RIL）群体，成功定位并验证了一个控制小麦穗长（SL）、穗粒数（GN）和每穗小穗数（SNS）的关键QTL（qSL2B）。研究通过精细定位、转录组分析和基因编辑等手段，鉴定TaeEF1A（编码翻译延伸因子1-alpha）为qSL2B的候选基因，并证实其作为正调控因子影响穗发育。进一步的转录组和单倍型分析揭示了TaeEF1A可能通过影响蛋白质翻译和光合作用调控穗发育，并鉴定出可在育种中利用的优异等位基因（Type I）。

1. 穗长QTL qSL2B的定位

研究团队利用由长穗多粒亲本SN4155和短穗少粒亲本SM12构建的包含191个株系的F7代RIL群体，在连续三个生长季对穗长（SL）进行了表型鉴定。发现SL在群体中呈连续分布并存在超亲分离现象，遗传力高达76%，表明该性状受多基因控制且遗传稳定。利用高密度的Axiom Wheat 55K SNP芯片对RIL群体进行基因分型，构建了包含11558个SNP标记的遗传连锁图谱。通过QTL作图分析，共检测到8个控制SL的QTL。其中，位于2B染色体上的QTL—qSL2B—在所有三个环境中均能稳定检测到，可解释9.92%–12.71%的表型变异，被认为是控制穗长的主效QTL（图1C；表1）。该QTL的增效等位基因（增加穗长）来源于亲本SN4155。

2. qSL2B的候选基因鉴定为TaeEF1A

qSL2B被定位在2B染色体上一个跨度为6.58 Mb的物理区间内，包含47个高可信度注释基因。为了筛选候选基因，研究者对处于幼穗发育关键时期（雄蕊雌蕊分化期，Z31）的两个亲本（SN4155和SM12）进行了转录组测序（RNA-seq），共鉴定到1165个差异表达基因（DEGs）。结合基因在该区间的物理位置、表达水平（TPM > 5）和亲本间的序列变异信息，最终将TraesCS2B02G465300基因锁定为qSL2B的最有潜力的候选基因。该基因编码翻译延伸因子1-alpha（Elongation Factor 1-alpha），命名为TaeEF1A（图1D）。序列分析发现，TaeEF1A在SN4155和SM12之间存在10个启动子SNP和1个3'UTR区的298bp插入/缺失（InDel）变异。组织表达分析显示，TaeEF1A在幼穗中表达量最高（图2A），表明其可能在小麦穗发育中发挥重要作用。

图1

3. TaeEF1A基因功能验证

为了验证TaeEF1A的功能，研究团队利用CRISPR/Cas9基因编辑技术，在小麦品种'Fielder'中创建了TaeEF1A在2B和2D染色体上的同源基因双敲除突变体（KO3和KO24）（图2B, C）。与野生型（WT）相比，两个突变体株系的穗长（SL）、每穗小穗数（SNS）和穗粒数（GN）均显著降低（图2D-F）。例如，KO3的SL、SNS和GN分别降低了20.6%、12.3%和18.6%；KO24则分别降低了21.8%、17.8%和21.6%。这一结果明确证实了TaeEF1A是小麦穗发育（包括穗长、小穗数和粒数）的一个正向调控因子。

图2

4. TaeEF1A调控穗发育的潜在机制

为了探究TaeEF1A调控穗发育的分子机制，研究者对野生型和TaeEF1A敲除突变体的幼穗进行了转录组测序。基因本体（GO）富集分析显示，差异表达基因显著富集在与“翻译”、“胞质翻译”、“翻译调控”、“核糖体”等相关的条目中（图4A）。这与eEF1A作为翻译延伸因子、在蛋白质生物合成中发挥核心作用的功能相符。此外，GO富集分析也发现了与“叶绿体基质”、“类囊体腔”、“叶绿体被膜”、“光呼吸”等光合作用相关的条目也被显著富集（图4A）。RT-qPCR验证了多个光合作用相关基因（Chl9RbcS3RbcS4PorA）在敲除突变体中表达量显著下调（图4B-E）。鉴于水稻中eEF1A的同源基因已被报道通过影响光合作用调控生长发育，研究者推测，小麦中的TaeEF1A可能通过调控蛋白质翻译过程以及影响光合作用来共同调节穗的发育。

图4

5. TaeEF1A的单倍型分析与育种价值

通过分析1769份小麦种质资源的测序数据，研究者在TaeEF1A基因（包括启动子和基因区域）中鉴定出7种主要的单倍型（Haplotype）。其中，Type I与亲本SN4155序列一致，Type II与亲本SM12序列一致（包含启动子SNP和3'UTR的298bp插入）（图3A）。在中国常用的428份小麦栽培种和育种系中进行筛选，发现Type I和Type II是最主要的两种单倍型，分别占52.6%和47.4%。比较这两种单倍型群体的表型数据发现，携带Type I单倍型的品种，其穗长（SL）、每穗小穗数（SNS）和穗粒数（GN）均显著高于携带Type II单倍型的品种（图3B-D）。这表明Type I是与高产相关的优异单倍型。在中国现代小麦品种中，Type I单倍型的频率（52.6%）高于其在世界种质资源中的频率（36.9%），暗示该优异单倍型可能在中国育种过程中受到了选择。研究团队还开发了能够区分Type I和Type II的InDel分子标记（InDel5830），可用于分子标记辅助选择。

图3

本研究通过对SN4155/SM12 RIL群体的QTL定位分析，鉴定了一个稳定控制小麦穗长、每穗小穗数和穗粒数的主效QTL qSL2B。通过精细定位、转录组学和基因编辑技术，成功验证了编码翻译延伸因子1-alpha的基因TaeEF1A是qSL2B位点上的候选基因，并证实其在小麦穗发育中起关键的正调控作用。机制探索表明，TaeEF1A可能通过影响蛋白质翻译过程和光合作用途径来调控穗的建成。更重要的是，该研究对TaeEF1A基因的自然变异进行了分析，鉴定出7种主要单倍型，并明确了Type I单倍型是与长穗、多小穗、多粒显著相关的优异类型，且已在中国育种实践中被选择利用。

该研究不仅克隆并解析了一个新的小麦穗发育调控基因，为理解小麦产量形成的分子基础提供了新见解，而且鉴定和评价了该基因的优异单倍型，开发了相应的分子标记，为小麦高产育种提供了有价值的基因资源和实用的分子工具，具有重要的理论意义和应用潜力。

本研究由山东农业大学农学院完成。Qiang Yan、Yunlong Pang、Yue Lu、Huaqiang Zhu为本文共同第一作者。Shubing Liu教授和Yuye Wu教授为共同通讯作者。合作单位包括山东省农业科学院作物研究所。

本研究得到了山东省重点研发计划、国家自然科学基金以及泰山学者计划等项目的资助。