小麥抽穗期的遺傳調控研究進展

劉春怡,楊 茜,張藝曉,張香粉,張兵陽,石超男,趙 磊,董中東,陳 鋒

(1.河南農業大學農學院/CIMMYT-中國小麥玉米聯合研究中心,河南鄭州450046; 2.河南省種子站,河南鄭州451199)

小麥是全世界分布范圍最廣、種植面積最大、總產量最多且總貿易額最高的糧食作物之一,是全世界35%以上人口的主要口糧。中國是小麥消費大國,提高小麥產量對保障中國糧食安全至關重要[1]。小麥產量受遺傳因素和環境因素的共同影響,其中生態適應性對小麥產量起決定性作用。生態適應性是指小麥隨著環境條件的變化而進行自身調節,使自身形態、結構和生理生化特性發生改變,以便于適應新環境。抽穗期是小麥重要的農藝性狀之一,在一定程度上可反映小麥生態適應性的優劣。在現代小麥育種方案中,抽穗期是小麥主要的育種目標性狀之一,不僅與生育期關系密切,而且對小麥產量、抗病性、抗逆性等多個農藝性狀具有重要影響。因此,對小麥抽穗期遺傳調控機制的研究與解析對持續農業生產具有重要意義[2]。

1 小麥抽穗期相關基因的遺傳調控

抽穗期是決定植物對特定自然環境適應性的關鍵時期,研究小麥抽穗期相關基因有助于了解抽穗期調控機制,對小麥遺傳育種具有重要意義。小麥抽穗期是受多個遺傳位點調控的復雜數量性狀,主要由春化、光周期等相關基因調控,各基因的調控網絡示意圖見圖1。

圖1 小麥抽穗期相關基因的調控網絡示意圖

1.1 春化基因的遺傳調控

冬小麥占據了中國小麥總面積和產量的80%以上,需經歷春化作用才能正常抽穗和開花。春化是指冬小麥需要經歷一段時間的低溫條件,才能促進花芽形成和花器發育,這種低溫誘導植物開花的效應叫做春化作用[3]。控制春化作用的主效基因有Vrn-1、Vrn-2、Vrn-3和Vrn-4[4]。其中,Vrn-1是第一個在栽培一粒小麥(T.monococcum)中通過圖位克隆技術獲得的春化基因,包含Vrn-A1、Vrn-B1和Vrn-D1三個等位基因,分別位于5A、5B和5D染色體長臂上,直接影響小麥的抽穗期和開花期[5-7]。隨后,Vrn-2和Vrn-3也分別在小麥和大麥中相繼被克隆[8-10]。

春化基因Vrn-1是決定冬小麥春化進程的關鍵基因[5-7]。Xu等[11]研究表明,冬小麥春化之前,Vrn-1基因在各種蛋白質的作用下形成包含完整Vrn-1可變剪切(VAS)序列的loop環結構;在春化早期,Vrn-1產生更多的VAS轉錄本;隨后,轉錄因子TaRF2b和TaRF2a通過Sp1基序識別Vrn-1的啟動子區域,從而促進Vrn-1轉錄;春化期間,loop環結構遭到破壞,促使TaRF2b-TaRF2a復合物與Sp1基序結合,進一步促進Vrn-1轉錄,加速抽穗開花。Xiao等[12]研究發現,春化誘導基因VER2也可促進Vrn-1的轉錄,顯著影響小麥抽穗開花和小穗發育。VER2RNA結合蛋白TaGRP2響應春化作用,發生糖基化(O-GlcNAc)修飾,并進一步與Vrn-1的前體mRNA結合,抑制Vrn-1mRNA的累積;而VER2基因通過與糖基化修飾的TaGRP2蛋白相互作用,促進Vrn-1基因上調表達。在春化過程中,VER2和TaGRP2之間的這種互作逐漸增強,因此降低了TaGRP2蛋白在細胞核中的累積,促進TaGRP2與Vrn-1mRNA分離,加速Vrn-1mRNA累積。

Vrn-2作為開花抑制基因,編碼含有鋅指和CCT功能域的轉錄因子,在春化過程和短日照條件下均下調表達,而CCT功能域的缺失則會降低小麥對春化的需求[13]。Chen等[14]利用TILLING技術分析了Vrn-1、Vrn-2和Vrn-3基因之間的互作關系,并詳細闡明了上述3個基因對開花時間的調控模型,發現春化基因Vrn-3通過與bZIP轉錄因子FDL2基因相互作用,促進Vrn-1基因的表達,進而影響小麥抽穗期;而春化基因Vrn-2則是通過抑制Vrn-3和Vrn-1基因的表達,來負向調控小麥抽穗期。其中,FDL2基因是擬南芥FD的同源基因,直接結合Vrn-1啟動子區域的ACGT元件,從而加速小麥抽穗[15]。在長日照條件下,Vrn-1可直接激活Vrn-3位點等位基因Vrn-B3的表達,加速小麥抽穗開花[16-17]。當Vrn-1位點3個等位基因(Vrn-A1、Vrn-B1和Vrn-D1)任何一個為顯性時,小麥的發育特性表現為春性;若這3個基因全為隱性時,小麥的發育特性則表現為冬性,此外Vrn-A1和Vrn-B1對開花時間的影響機制相似,只有Vrn-B1對作物生長速率有影響[18]。Vrn-4基因與Vrn-B1、Vrn-D1基因的功能相似,但其基因功能弱于Vrn-D1和Vrn-B2基因[19]。目前已有多個春化基因的等位類型被相繼報道[20]。除此之外,Zhang等[21]從3個普通小麥品種中發現了Vrn-D1基因的一種新的等位變異Vrn-D1c,該變異可導致小麥抽穗開花提前;Chen等[22]從中國小麥地方品種中發現了Vrn-B3基因的一種新的等位變異Vrn-B3b,該變異可導致小麥抽穗延遲;Berezhnaya等[23]也發現了Vrn-B3基因的兩個新的等位變異Vrn-B3e和Vrn-B3d。

1.2 光周期基因的遺傳調控

光周期反應是植物通過感受日照時間長短而控制生長開花的一種生理現象。在整個植物物種中,光敏色素通過調節開花時間,來響應光周期變化。光敏色素B基因(phyB)和光敏色素C基因(phyC)在長日照條件下可加速抽穗進程,其中phyC的促進作用更明顯[24]。Kippes等[25]對四倍體小麥phyB和phyC功能缺失突變體的分析表明,在短日照條件下這兩個基因可抑制小麥抽穗開花;轉錄組測序結果表明,許多光周期基因與phyB和phyC基因之間存在顯著的相互作用,這可能是不同光照條件下抽穗時間不一致的原因之一。經過長期的馴化和選育,不同小麥品種對光周期的反應不同,早熟品種在長日照和短日照條件下均能成熟,而在短日照條件下小麥分蘗旺盛,開花延遲。光周期反應主要由Ppd-1基因控制,有Ppd-A1、Ppd-B1和Ppd-D1三個等位基因,分別位于2A、2B和2D染色體短臂上[26-27]。前人研究認為,Ppd-1的不同等位基因影響小麥對日照長短的敏感性,導致小麥生長表現出多樣性。在干熱環境下,光周期非敏感型基因(Ppd-A1a、Ppd-B1a和Ppd-D1a)占主導地位[28-29],Ppd-1位點的3個等位基因中,Ppd-D1的光周期作用最強,除含有Ppd-D1a和Ppd-D1b等位變異[30-31]外,Zhang等[20]從國內小麥品種中還發現了Ppd-D1的兩種新的單倍型HapI-Ⅸ和HapI-Ⅹ。Chen等[22]從中國小麥地方品種中發現了光周期基因Ppd-D1的兩種新的單倍型HapI-Ⅶ和HapI-Ⅷ。Ppd-D1主要促進花原基形成,在長日照或短日照條件下一般可使小麥開花提前2～7 d,進而使小麥生育期縮短,通常情況下Ppd-D1還可使小麥株高降低約4 cm,小穗數減少約1.25個,但小穗數的減少可因結實小穗的增加而補充,另外由于Ppd-D1也可使小麥分蘗數減少,因此小麥產量的增加主要靠主莖成穗[32-33]。

1.3 與抽穗期相關的其他QTL/基因的研究進展

除春化和光周期基因與抽穗期有關外,還發現了許多與抽穗期相關的其他QTL/基因。Zhang等[30]利用Proteo和Chaja構建的RIL群體為材料,在2B、3A、4A、4B、6B、7A、7B和7D染色體上均鑒定到與小麥抽穗期相關的QTL。Kazusa等[34]利用四倍體小麥品種TN26(TriticumturgidumL. ssp.dicoccum)在7A染色體上鑒定到一個與抽穗期相關的QTL,其早熟效應超過了TN28(T.turgidumL. ssp.turgidumconv.pyramidale)攜帶的等位基因Ppd-A1a。Li等[35]利用γ射線誘導的早抽穗突變體eh1與晚抽穗品種輪選987雜交,創制出包含400個株系的RIL群體,在5B染色體上檢測到與抽穗期相關的QTL;同時發現突變體eh1中Vrn-B1基因的第一個內含子區域存在一個缺失片段,并證明它與RIL群體的抽穗期密切相關;Xiong等[36]進一步對該RIL群體F6～F8代材料進行鑒定,共發現9個與抽穗期相關的QTL,分別位于1B、2B、3A、4A、5B和6B染色體上,其中qHD5B和qHD6B位點在所有重復中均能檢測到,分別可解釋18.4%～48.8%和3.3%～11.6%的表型變異。Chen等[10,37]分別利用Yi5029和農大4332以及核生2號和農大4332構建的RIL群體對小穗數和抽穗期相關的QTL進行了定位,分別在7A和7D染色體上發現了候選基因FT-A1和FT-D1,這兩個基因分別在第三外顯子發生了T-G的突變和一個堿基G的缺失,其中FT-D1基因使小麥小穗數增加且抽穗期發生延遲。Kiseleva等[38]利用中國春和CS-5Bdic[中國春5B染色體被野生二粒小麥(Triticumdicoccoides)5B染色體取代]雜交得到的116個重組自交系為材料,并結合5B染色體上78個與抽穗期顯著相關的標記,發現了與小麥抽穗期相關的轉錄因子基因WRKY、ERF/AP2和FHY3/FAR1。Yang等[39]利用蘭考86和Rebeldez回交后代中抽穗早和抽穗晚的純合基因型材料,發現多個差異表達基因與Vrn-A1、Vrn-B3和Ppd-D1存在生物學聯系,且TraesCS2D02G181400編碼MADS-MIKC轉錄因子,與Vrn-A1基因共表達,表明該基因可能與抽穗開花相關。Hu等[40]從六倍體小麥中克隆到一個光調節基因TaLWD1L-A,其編碼一個含有WD40功能域的蛋白,通過影響Vrn-1、Vrn-2和Ppd-1基因的表達,間接調控Vrn-3基因在小麥中的表達。

此外,Cao等[41]在冬小麥京841中篩選到一個春化基因TaIRI9,在野生小麥中過表達該基因可導致株高降低,分蘗數增加,且抽穗期推遲;該研究還發現,TaIRI9基因通過促進Vrn-2基因的表達,抑制Vrn-1和Vrn-3基因的表達,進而調控小麥抽穗開花,參與小麥春化調控途徑。研究還發現,普通小麥中存在與春化和光周期基因不同的早熟基因Eps,該基因在一粒小麥的1Am染色體和六倍體小麥的1D染色體長臂上被鑒定出來,對小麥成熟期和抽穗期均具有重要影響,但該基因的研究進展較為緩慢[42-43]。此外,赤霉素(GA)在小麥抽穗期的調控上也起到了關鍵作用[44-46]。這些研究成果為選育廣適性小麥品種提供了重要的基因資源和理論支撐。

2 小麥抽穗期相關基因對產量的影響

研究表明,小麥抽穗期與籽粒產量呈顯著正相關,在干旱條件下尤為明顯[47-48]。與抽穗期相關的基因通過影響小麥小穗數[37,49]和每個小穗可育小花的數目來提高小麥產量[50],如春化基因Vrn-1突變后可延緩小麥開花,影響穗粒數和小麥產量[51];光周期基因Ppd-1與小麥穗長、株高和千粒重顯著相關,其單倍型Hapl-A1可使穗長增加4.72%～5.93%,而單倍型Hapl-B1和Hapl-D1則可使抽穗期分別提前0.58%～0.75%和1.24%～2.93%,株高分別降低5.64%～13.08%和13.62%～27.30%[52]。因此,研究小麥抽穗期相關性狀的遺傳位點,可為調控小穗發育以及提高小麥產量提供有用的信息,對于確保糧食安全具有重要意義。

3 小麥抽穗期遺傳研究的展望

抽穗期是影響小麥高產、穩產和適應性的重要農藝性狀之一。適宜的抽穗期不僅可使小麥避免倒春寒危害,而且還可以延長灌漿期,提高產量。小麥抽穗期是一個數量遺傳性狀,是植株從營養生長過渡到生殖生長的關鍵發育階段,春化作用、光周期反應、早熟因子以及環境因素之間存在著復雜的相互關系。植物對環境溫度變化的感知和響應能力對其生存和繁殖成功至關重要[53]。由于全球氣候惡劣變化,需要小麥具有更強的脅迫耐受性,但傳統育種為了提高耐受性需要較長的育種周期,雖然分子標記輔助選擇育種可以加速這一周期,但目前用于生產的小麥品種仍然沒有完全解決這一問題。另一方面,關于小麥早熟的報道多是從小麥早熟性狀的篩選指標、控制因子、化學調控等方面進行闡述,而在遺傳方面的研究還未見有報道。近年來隨著對模式植物(如擬南芥、金魚草等)中調控抽穗開花相關基因的克隆及其功能的深入研究,抽穗期相關基因的調控機理已成為植物發育生物學新的研究熱點。利用高通量測序、多組學分析、突變體篩選以及關聯定位等現代生物學技術,結合化學、計算機科學等各類學科的相關理論知識,可加速小麥抽穗期遺傳研究進展,為今后通過調整小麥抽穗期來提高小麥產量奠定基礎。