摘要：小麦是全球重要的粮食作物，受气候变化及人口增长影响，提高小麦产量成为育种的迫切需求。千粒重（TKW）是影响小麦产量的关键因素，Wox（WUSCHEL-related homeobox）家族是植物特有的一类转录因子，在植物生长发育过程中发挥重要作用，但其调控TK
小麦是全球重要的粮食作物，受气候变化及人口增长影响，提高小麦产量成为育种的迫切需求。千粒重（TKW）是影响小麦产量的关键因素，Wox（WUSCHEL-related homeobox）家族是植物特有的一类转录因子，在植物生长发育过程中发挥重要作用，但其调控TKW的分子机制尚不明确。
近日，Plant Biotechnology Journal发表了题为“TaWUS-like-5D affects grain weight and filling by inhibiting the expression of sucrose and trehalose metabolism-related genes in wheat grain endosperm”的研究论文。该研究结合GWAS、BSA和BSR-seq方法，在小麦5DS染色体上鉴定出TKW相关的基因TaWUS-like-5D，该基因在籽粒中高表达。进一步分析表明，TaWUS-like-5D通过抑制蔗糖和海藻糖-6-磷酸（T6P）代谢相关基因的表达，负调控小麦籽粒发育和灌浆，降低小麦千粒重和产量，为解析Wox在籽粒发育中的作用提供分子基础。
1.TaWUS-like-5D 基因定位
以262份小麦微核心种质（MCC）、F2:5粒重分离群体和中优9507×红金麦F2群体为材料，结合GWAS和BSA分析，定位到与TKW相关的数量性状位点（QTL）位于5DS染色体，遗传距离为2.94 cM，紧密连锁的分子标记为cfd 78和cfd 67，物理区间为108.08-108.45 Mb。该区间包含5个候选基因，对花后10天的小麦籽粒进行BSR-seq分析，鉴定出TraesCS5D03G0230800为TKW相关候选基因，属于Wox基因家族的WUS分支，因此命名为TaWUS-like-5D（图1）。
图1
TaWUS-like-5D基因的克隆与鉴定
注：(a) 中优9507和红金麦的籽粒表型特征；(b)F2群体中高TKW（HG）和低TKW（LG）家系的籽粒表型特征；(c)BSA-seq基因组定位分析结果图；(d)5个候选基因的表达量与差异表达分析；(e)TaWUS-like-5D单倍型解析小麦基因组演化。
2.TaWUS-like-5D基因表达分析
TaWUS-like-5D与TaWUS-like–5A、TaWUS-like–5B是同源基因，具有相似的基因和蛋白结构。TaWUS-like-5D基因在花后10天的籽粒中高表达，且高TKW品种中TaWUS-like-5D表达量显著低于低TKW品种，具有核定位信号和自激活活性，表明TaWUS-like-5D可调控小麦籽粒发育（图2）。
图2
TaWUS-like-5D基因表达和转录自激活活性分析
注：(a)TaWUS-likes同源基因结构示意图；(b)TaWUS-likes同源基因氨基酸序列对比；(c)不同组织和籽粒不同发育时期的TaWUS-like-5D差异表达分析；(d)酵母细胞的反式激活活性测定；(e)不同物种间的系统发育分析。
3.TaWUS-like-5D负调控小麦籽粒发育和灌浆
与WT相比，TaWUS-like-5D OE系表现出小麦生长和籽粒发育受损，TKW、株高、穗粒数、分蘖数、粒长、粒宽和籽粒厚度显著降低，而RNAi干扰系则相反，表明TaWUS-like-5D负调控小麦籽粒发育和灌浆，影响TKW和产量（图3）。CriTaWUS-like 突变体KTaWUS-like 突变体也表现出TKW、株高、粒长和粒宽等性状的显著增加，表明TaWUS-like-5D对TKW和多种籽粒性状有显著影响（图4）。
图3
TaWUS-like-5D OE、RNAi和KTaWUS-likes 突变体系的籽粒和农艺性状表型特征
图4
CriTaWUS-likes 突变体系的籽粒和农艺性状表型特征
4.TaWUS-like-5D对淀粉合成的影响
与WT相比，TaWUS-like-5D OE系表现出小麦籽粒胚乳中总淀粉、直链淀粉和支链淀粉含量的显著降低，淀粉颗粒数量显著减少，A型淀粉颗粒变小且表面凹陷，RNAi和部分突变体系的表现则相反，结果表明TaWUS-like-5D可影响小麦籽粒淀粉合成（图5）。
图5
TaWUS-like-5D OE和CriTaWUS-likes 突变体系的淀粉含量和淀粉颗粒特性
5.TaWUS-like-5D通过调节糖信号和激素相关基因表达影响淀粉合成
转录组测序表明，TaWUS-like-5D显著抑制了籽粒发育过程中的蔗糖、淀粉代谢及调控相关基因的表达，T6P合成酶基因的表达，表明T6P和蔗糖代谢相关基因是TaWUS-like-5D的下游靶基因。此外，TaWUS-like-5D还影响了多种植物激素合成和信号转导相关基因的表达。这些结果证实了TaWUS-like-5D可通过调节糖代谢和激素水平影响籽粒淀粉合成和灌浆（图6）。
图6 鉴定
TaWUS-like-5D调控的下游基因
6. TaWUS-like-5D与SnRK1-b1-4B的相互作用
通过酵母双杂交（Y2H）、双荧光素酶（LDR）和双分子荧光互补（BiFC）实验，发现TaWUS-like-5D与SnRK1-β1-4B相互作用，TaWUS-like-5D可能通过影响SnRK1信号通路和糖-ABA相互作用影响小麦籽粒淀粉合成（图7）。
图7 TaWUS-like-5D与TaSnRK1-4B相互作用
总结
该研究通过GWAS、BSA和BSR-seq等方法，鉴定出TKW相关基因TaWUS-like-5D。TaWUS-like-5D通过抑制蔗糖、淀粉代谢和T6P合成酶相关基因的表达，减少淀粉合成，负调控小麦籽粒发育和灌浆，进而降低TKW和产量。该研究探究了TaWUS-like-5D对小麦籽粒发育和产量的调控作用，为小麦遗传改良和提高产量提供理论依据和基因资源。
小麦族多组学网站：http://wheatomics.sdau.edu.cn
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来源：新浪财经