四川农业大学博士生以第一作者在国际知名期刊上发表研究成果，取得提升小麦产量和品质的机制新进展

摘要：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

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Qc1（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。这有利于提高产量和籽粒蛋白质产量/含量。

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。这有利于提高产量和籽粒蛋白质产量/含量。

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）；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

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。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。

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。