PBJ │ 河南农业大学陈锋研究团队发现小麦分蘖角度基因TaHST1L并解析其分子调控机制

2022-10-12 17:58:12, 欧易生物 上海欧易生物医学科技有限公司



植株株型是小麦重要农艺性状的综合反映,对群体光合效率和小麦产量有决定性影响,也是小麦改良育种的重要目标性状。分蘖角度是影响植株株型的关键因素之一,合理的分蘖角度是理想株型的主要选择性状之一,获得理想分蘖角度植株对选育高产小麦新品种具有重要意义。然而由于小麦的遗传背景复杂,目前关于小麦分蘖角度相关的基因克隆及分子机制研究仍不清晰。


2022年9月,河南农业大学陈锋研究团队Plant Biotechnology Journal上发表了题为“A HST1-like gene controlled tiller angle through regulating endogenous auxin in common wheat”的研究论文,该研究通过全基因组关联分析(GWAS)和分离群体分组分析(BSA),发现了一个控制小麦分蘖角度的重要基因TaHST1L,并解析了其基因单倍型种类及进化方向,阐明了其通过参与生长素信号通路控制小麦植株株型的分子机制,并揭示了其对小麦产量的影响潜力。



研究结果


1.普通小麦中TaHST1L基因的物理定位与鉴定

(1)根据小麦谱系、农艺性状等,选取349份小麦品系,使用660K SNP 芯片检测其基因型,对所得数据进行GWAS分析,发现5A染色体(520-530 Mb)上存在1个与分蘖角度显著相关的基因座。


(2)通过BSA混池分析法,从四倍体小麦EMS突变体文库中选择分蘖角度明显改变的植株与野生型小麦杂交,在F2代中,挑选极端株型和亲本株系各10株,进行分组检测。通过660K SNP芯片检测,发现分蘖角度显著关联的位点与GWAS分析结果一致,定位于5A染色体的3.89-Mb区域,基于小麦基因组数据库发现该区域存在43个已注释基因。


(3)通过BSR-seq,进一步发现43个基因中存在11个显著差异表达基因,其中TraesCS5A02G316400有1个SNP位点,可导致在K2588中提前终止翻译,该基因在WheatOmics数据库中,被注释为NAD依赖性脱乙酰酶HST1-like基因,其在水稻、玉米中的同源基因与植株株型有关,从而将其锁定为目标候选基因,命名为TaHST1L


图1 | TaHST1L的物理定位与鉴定


2. TaHST1L在小麦中的表达模式分析

(1)在烟草表皮细胞以及小麦原生质体中的亚细胞定位实验发现,TaHST1L在细胞核、细胞质、细胞膜中均有定位;


(2)qRT-PCR发现TaHST1L在小麦全株中具有组织特异性表达,其中在茎节、叶枕中表达量最高,在根部、杆部表达量极低,其他部位表达量居中;说明TaHST1L可能直接影响小麦植株株型的发育和维持。


(3)TaHST1L在小麦3个亚基因组中表达量不同,TaHST1L-A1的表达明显高于TaHST1L-B1TaHST1L-D1


3. TaHST1L突变对四倍体小麦分蘖角度的影响

为了进一步阐明TaHST1L对四倍体小麦分蘖角的影响,从EMS诱变的1368株四倍体小麦品种Kronos库中筛选出TaHST1L基因突变株系,选择K2588(aaBB)和K1242(AAbb)作为亲本与野生型杂交,对比分析经过两轮回交后获得的小麦植株的分蘖角度。发现与WT相比,TaHST1L-A1 和双突变株系TaHST1L-A1 /TaHST1L-B1分蘖角度显著变小,且TaHST1L-A1突变株系分蘖角度明显小于TaHST1L-B1突变株系,双突变株系分蘖角度最小,推测在六倍体小麦的三个同源基因中,TaHST1L-A1可能对分蘖角度的调控作用最大。


图2 | TaHST1L突变对四倍体小麦分蘖角度的影响


4. 转基因TaHST1L小麦分蘖角度的变化

为进一步确认TaHST1L对小麦分蘖角度的影响,选择两个品种小麦LX987(植株结构紧凑)和Fielder(植株结构相对松散),进行过表达和沉默实验,结果进一步证明TaHST1L-A1在调控六倍体小麦分蘖角方面起着关键作用。


图3 | 转基因TaHST1L对小麦分蘖角度的影响


5. TaHST1L通过与TaIAA17互作影响内源性生长素水平

为阐明TaHST1L调控小麦分蘖角的潜在机制,以TaHST1L全长为诱饵,利用酵母双杂交(Y2H)筛选小麦cDNA文库中互作蛋白,其中候选互作蛋白中的TaIAA17被报道在水稻生长素合成过程中起关键的负调控作用,引起研究者注意。进一步通过Y2H和SFLC验证了两者的相互作用,并通过在烟草叶片中共表达TaHST1L和TaIAA17以及WB检测,发现TaHST1L抑制TaIAA17表达(图4A-C)。且发现TaIAA17-B1提前终止表达的小麦K798分蘖角度显著大于野生型Kronos(图4D-F)


为进一步分析TaHST1L是否通过影响小麦内源生长素合成通路来调控分蘖角度,对TaHST1L-OE和WT LX987植株的茎基部进行转录组学和代谢组学分析。结果发现143个DEGs中,46个与植物激素信号转导相关,其中26个与IAA合成相关的基因在TaHST1L-OE植株中表达量显著增加,尤其是TaAuxb9,上调表达80.3倍(图4G)。代谢组学也在代谢水平上证明了TaHST1L-OE小麦中,与色氨酸代谢和生长素信号转导相关代谢物显著增加,其中IAA增加3.3倍(图4H)。对TaHST1L过表达和敲除小麦的IAA含量鉴定,也发现TaHST1L-OE植株中IAA含量显著高于野生型植株,而在RNAi植株中是相反趋势(图4I-J)


图4 | TaHST1L通过参与调控生长素合成影响小麦分蘖角度


6. 启动子中242 bp的InDel影响了TaHST1L-A1的表达水平,改变了植株分蘖角

对243个中国小麦品种测序发现,TaHST1L-A1基因主要存在3种基因单倍型(如图5A),进一步通过表型对比研究、GUS活性检测以及对转基因水稻植株TaHST1L-A1b和TaHST1L-A1b(含自身启动子)的TaHST1L表达量检测发现,启动子上242 bp片段的插入极大地促进了TaHST1L-A1的表达,从而改变了植株的分蘖角度。


图5 | 启动子中242 bp的InDel对植株分蘖角的影响


7. TaHST1L-A1b对小麦产量的潜在影响和进化分析

本研究对TaHST1L-OE和突变株系的小麦产量进行了测量,与WT组对比,发现TaHST1L-OE组小麦产量显著增加,突变株系显著下降(图6A-B)。且发现不同测试环境下,TaHST1L-A1b对小麦分蘖数和产量提升影响高于TaHST1L-A1a。进一步分析不同品种和亚种小麦中TaHST1L-A1等位基因占比,发现TaHST1L-A1b可能来源于野生二粒小麦,并在栽培二粒小麦和小麦中被人工驯化保留下来(图6F)


图6 | TaHST1L的物理定位与鉴定


研究结论


本研究通过正向遗传学方法克隆到控制小麦分蘖角度的重要基因TaHST1L,并对其基因功能进行了验证,对其作用机制在转录、蛋白、代谢水平进行了解析,研究同时对该基因单倍型进行了鉴定,并对其遗传演化进程进行了追踪。本研究进一步加深了对小麦株型遗传基础的理解,为小麦株型改良、高产育种,提供了宝贵的基因资源和理论基础。


河南农业大学农学院赵磊副教授、博士生郑跃婷和王盈为论文的共同第一作者,陈锋教授为本文通讯作者,王沙沙、张坤普、张宁和董中东参与了此项工作。本研究得到了国家自然科学基金、河南省重大科技专项、河南省科技攻关等项目的资助。


项目中所用的小麦酵母文库由欧易生物构建。

Doi:https://doi.org/10.1111/pbi.13930


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排版人:小久


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