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科研人员发现小麦小花育性的遗传基因
日期:2019-03-18 作者:编译:串丽敏 来源:农科智库 点击:
     高产量无疑是谷物的一个理想性状。小花育性是决定普通小麦或大麦等谷物每一花序籽粒数的关键因素。但是,至今人们仍然对其遗传基础还知之甚少。一组来自日本、德国、以色列的研究人员正在调查小麦的小花生育能力,他们研究发现籽粒数基因座GNI1,是小花生育能力的重要贡献者。
    虽然后续的GNI-A1基因本身会导致谷物产量下降,研究人员仍然证明了该基因的突变体,即功能减弱的GNI-A1的等位基因能够增加小花可育性的数量以及籽粒总数。正是由于这一正面作用,研究人员一直在小麦驯化过程中筛选突变的等位基因。
    庞大的小麦家族中包括了普通小麦和大麦等多种重要的谷类作物。在驯化精选小麦品种的过程中,一个主要成果就是由于作物的小花生育能力的提升,现代栽培品种的每一个花序籽粒数会随之增加。
    所有的小麦作物都会生成不分支花序,即穗状花序。小麦的穗状花序由多个小穗组成,每一个小穗都会长出数量不确定的小花来生成籽粒。在花器官发育阶段即“白色花药”时期,每一株小麦的小穗一般都会长出多达12个可能孕育小花的花原基。但是,70%以上的小花会在发育阶段终止。虽然科学家已知每株小穗的籽粒数由每棵小花的育性决定,但是小花育性的遗传基础直到最近仍然没有得到广泛确认。如今,一支国际研究小组开始进行合作,尝试揭秘小麦小花育性的遗传基础,该研究小组包括了多名来自德国植物遗传和作物研究所的科学家。
    研究人员重点研究了能够增加每株小穗籽粒数的数量性状基因座(QTL),该基因座之前是由欧洲冬小麦的全基因组关联分析确定的。他们能够在染色体臂2AL上绘制出QTL基因图谱,并鉴定出小麦通过基因复制进化而来的GNI-A1基因。
    科学家们证明,最终形成的GNI-A1基因编码一种同源域亮氨酸拉链I类(HD-Zip I)转录因子。转录因子的表达则抑制了小麦穗轴小花的生长和发育,从而对小花的育性和产量产生了负面影响。
    在驯化过程中,GNI1基因表达的减少能够增加更多的可育小花以及每株小穗籽粒的数量。但是,通过后来又对高产的普通小麦栽培品种的分析,研究人员发现了一个功能降低的GNI-A1基因等位基因。这种突变等位基因在小花育性较高的现代小麦中被发现,这意味着它提高了小花育性,并且在进一步的小麦驯化过程中,对携带功能降低等位基因的小麦品种进行了选择。这项研究首次表明,小花育性的提高、每穗粒数的增加和田间种植的小麦产量的提高之间存在直接联系。
    作为国际合作的进一步结果,GNI-A1被证明是大麦VRS1基因的一个同源物,它控制着小花的侧生能力,并导致小花发育受到抑制。与GNI-A1的功能等位基因相似,VRS1功能突变体的缺失导致了籽粒产量的增加。研究者先前也对阐明大麦VRS1的分子基础作出了贡献,现在发现了GNI1在小麦中的实际作用。GNI1/VRS1的出现和突变等位基因的平行选择似乎符合遗传热点假说,这意味着进化相关的突变倾向于聚集在特定基因和基因内的特定位置。
    对小花育性遗传基础的认识,为进一步研究小麦的植株结构和提高产量提供了新的选择。这一认识可能有助于找到与此方向一致的相关基因,从而进一步改良谷物育种,以满足生产生活需求。
    (来源:AgroNews  北京市农林科学院农业信息与经济研究所报道)
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