小麦转录因子基因TaNAC67参与调控穗长和每穗小穗数

张宏娟 李玉莹 苗丽丽 王景一 李超男 杨德龙 毛新国,* 景蕊莲

小麦转录因子基因参与调控穗长和每穗小穗数

张宏娟1,2李玉莹2,3苗丽丽2王景一2李超男2杨德龙1,*毛新国1,2,*景蕊莲2

1甘肃农业大学生命科学技术学院, 甘肃兰州 730070;2中国农业科学院作物科学研究所/ 农作物基因资源与基因改良国家重大科学工程/ 农业部农作物种质资源创新与利用重点开放实验室, 北京 100081;3河南农业大学农学院, 河南郑州 450002

NAC转录因子是植物特有的一类转录因子, 在植物生长发育和逆境胁迫应答反应中发挥着重要作用。前期研究表明,参与对多种逆境胁迫的应答, 过量表达能增强拟南芥的抗逆性。为进一步揭示其在调控小麦主要农艺性状发育方面的作用, 本研究以36份普通小麦组成的高多态性群体为材料, 测序分析了-、-、-序列多态性, 发现-启动子区–1516 nt有1个A/G转换SNP, 在–873~ –748 nt处有1个126 bp的InDel;-启动子区–2014和–1916 nt处各有1个C/T转换SNP;-启动子区–1795 nt有1个T/G颠换SNP, 编码区357 nt处有1个C/T转换SNP。根据多态性分别开发了功能分子标记, 扫描由282份普通小麦构成的自然群体, 并将基因型和表型性状检测结果进行关联分析,-、-的标记与表型性状无显著关联, 而-的2个标记SNP-D-1和SNP-D-2分别与小麦穗长和每穗小穗数显著相关。单倍型分析发现, 自然群体中存在3种主要单倍型, 其中-6D-3是增加穗长和每穗小穗数的最优单倍型, 在我国小麦育种历史中受到了正向选择。转基因水稻表型分析发现,过表达能显著增加水稻主穗穗长、穗分枝和穗粒数, 验证了小麦关联分析结果。因此,-可用于改良农作物穗部性状, 其分子标记可用于小麦分子标记辅助选择育种。

小麦; 转录因子; 单核苷酸多态性; 功能标记; 单倍型; 关联分析

小麦是世界最主要粮食作物之一。随着气候变化, 各种极端天气事件频发, 严重影响了小麦生产。为确保粮食安全, 迫切需要培育抗逆、稳产、广适小麦新品种, 而挖掘利用小麦自身优异遗传资源是解决这一问题的最经济有效途径。NAC (NAM、ATAF和CUC)转录因子是植物特有的一类转录因子, 它不仅在植物生长发育过程中起重要作用, 而且还参与对高盐、低温、低氧和干旱等多种非生物胁迫的响应[1-3]。NAC转录因子家族成员N端包含一个高度保守、特征性的DNA结合结构域, 即NAC结构域, 而C端转录激活结构域高度多样化[4-6]。NAC家族成员广泛存在于多种植物中[7], 其最早在矮牵牛中被发现[8], 随后相继在拟南芥、水稻、玉米、小麦、棉花、大豆等作物中被报道。

NAC转录因子参与调节根系发育, 如参与调控器官发生, 促进根尖出现[9];参与调控根系构型, 其过表达能改良水稻根系结构, 提高籽粒产量[10];过表达能增加转基因水稻的穗数和灌浆速率[11];在根系中的过表达能够增加水稻的小穗数[12]; 过表达能显著增加拟南芥侧根数量[13];过表达不仅可增加小麦根系长度和生物量, 还能提高抗旱性和水分亏缺条件下籽粒产量[14];过表达能促进小麦根系伸长, 增加转基因小麦的生物量[15]。NAC还参与调控叶片衰老, 如、、等过表达促进拟南芥叶片早衰[16-18];过表达导致转基因水稻抽穗提前, 叶片衰老加速[19]; 大麦中过表达导致发育延迟, 并伴随早衰[20]。

NAC参与对多种生物胁迫的应答。如受马铃薯病原菌感染和损伤诱导表达[21]; 小麦受条锈病菌侵染诱导表达[22];负调控小麦条锈病抗性[23];表达受稻瘟病诱导, 其过表达可增强植物防御反应[24];正调控水稻对稻瘟病和细菌性枯萎病的抗性, 其过表达可提高转基因水稻的抗病性[25]。

NAC在植物非生物逆境胁迫应答反应中发挥重要作用。如水稻、、、和等受低温、干旱和高盐度等多种非生物胁迫诱导[6,10,26-28], 过表达促进盐诱导的细胞程序性死亡[26]。玉米过表达能增强拟南芥的耐旱性和耐盐性, 提高存活率[29];受干旱、高盐度和冷胁迫以及脱落酸(ABA)诱导[30]。小麦、和均受多种逆境胁迫诱导表达, 过量表达能显著增强转基因植物对多种逆境的抗性[1,31-32]。本课题组前期研究发现,参与对多种逆境胁迫的应答, 其过量表达能显著提高转基因拟南芥对多种逆境的抗性[33], 但有关是否参与调控植物的生长发育, 尤其是否参与调控重要农艺性状, 未见报道。

本研究通过测序发掘-、-、-等多态性位点, 开发功能分子标记, 扫描自然群体, 通过关联分析揭示多态性位点与农艺性状的关系, 发掘优异单倍型, 为小麦分子育种提供分子标记和优异基因资源。

1 材料与方法

1.1 试验材料及其培养条件

试验材料由中国农业科学院作物科学研究所小麦基因资源与种质创新重点实验室提供。基因多态性分析群体由36份多态性较高的普通小麦组成, 该群体是用209对SSR引物对262份材料进行多态性分析后筛选出来的; 农艺性状分析群体(PA)包含了282份来自我国黄淮和北方冬麦区的普通小麦; 单倍型地理分布分析材料包括157份农家品种组成的群体(PL)和348份现代育成品种组成的群体(PM)。挑取饱满的种子放于培养皿中, 在人工气候室内水培至一叶一心, 取叶片提取DNA。

PA于2010—2013、2015—2017年种植于中国农业科学院作物科学研究所顺义和昌平试验基地, 其中2010—2012、2015年仅在顺义基地种植, 2013年只种在昌平基地种植, 田间水分管理分为雨养/干旱胁迫、灌溉2种条件, 共有30个环境(年份×地点×水分×热胁迫)的表型数据。雨养/干旱胁迫是指在小麦的整个生长季节不给予任何人工灌溉, 完全由雨水滋养生长; 灌溉是指在越冬前、孕穗期、开花期和灌浆期根据土壤墒情适时灌溉(750 m3hm–2); 热胁迫是指在抽穗期通过覆盖塑料膜创造高温胁迫环境。7个小麦生长季(2010、2011、2012、2013、2015、2016和2017年)的降雨量依次为131、180、158、163、173、143和116 mm。每份材料均匀点播在行长2 m、间距0.3 m的4行小区, 每行点播40粒种子。收获时从每个小区中随机取5株, 考察穗长、每穗小穗数、穗粒数、株高、穗下节长和千粒重等农艺性状。

1.2 TaNAC67序列单核苷酸多态性分析

根据克隆的-、-、-基因组序列, 利用Primer Premier 5.0软件设计基因组特异引物NAC67-6AsF/R、NAC67-6BsF/R和NAC67-6DsF/R (表1), 分别扩增A、B、D基因组全长序列。以多态性分析群体基因组DNA为模板, 用高保真DNA聚合酶TransStart FastPfu进行PCR扩增。PCR体系包括5 × TransStart FastPfubuffer 6 μL, 2.5 mmol L–1dNTPs 2.4 μL, TransStart FastPfu DNA Polymerase 0.6 μL, 正、反向引物(10 μmol L–1)各1.5 μL, 50 ng μL–1模板DNA 2 μL, 用ddH2O补至30 μL。PCR扩增程序为95℃ 5 min; 95℃ 1 min, 55~60℃ 45 s, 72℃ 3 min, 35个循环; 72℃, 10 min。用1.2%琼脂糖凝胶分离PCR产物, 目的片段经回收纯化后, 连接pEASY-Blunt zero载体, 挑单克隆, 提取质粒测序。

表1 试验中使用的引物

根据-、-、-序列信息, 设计基因组特异测序引物(表1), 用DNA Analyzer 3730测序。用DNASTAR Lasergene 7.1软件包中的Seqman软件进行序列拼接、组装, 用MegAlign软件进行序列多态性分析。

1.3 分子标记开发

在-启动子区发现了1个SNP和1个126 bp的InDel, 即A-1516 (A/G)和A-126。在A-1516多态性位点设计含有内切酶I酶切位点(TGC▼GCA)的CAPS特异引物A-1516-F/R, 在A-126 bp (–873~ –748 nt) InDel附近设计特异扩增引物A-126-F/R, 进行PCR扩增(表1)。

在-启动子区检测到2个SNP, B-2014 (C/T)和B-1916(C/T), 分别设计了dCAPS分子标记。在B-2014 (C/T)前引入2个错配碱基TG, 形成能被I切开的酶切位点(CTGCA▼G); 在B-1916 (C/T)前引入一个错配碱基T, 使序列中含有I酶切位点(G▼CTAGC)。位点特异引物分别为B-1916-F/R和B-2014-F/R (表1)。

在-启动子区和编码区各检测到1个SNP, D-1795 (T/G)和D357 (C/T)。在D-1795位点设计CAPS特异引物D-1795-F/R (表1), 使序列中含有内切酶Ⅲ酶切位点(GG▼CC)。在D357差异碱基前5 nt处引入错配碱基G, 使序列中含有I的酶切位点(G▼TCGAC), 特异引物为D357-F/R (表1)。

以小麦基因组DNA为模板, 利用基因组特异引物NAC67AsF/R、NAC67BsF/R和NAC67DsF/R分别扩增得到第1轮PCR产物。将第1轮PCR产物稀释100倍, 取2 μL作模板进行二次扩增。反应体系为2× Utaq mix 10 μL, 正、反向引物(10 μmol L–1)各1 μL, 用ddH2O补至20 μL。-的2个SNP位点二轮PCR程序均为95℃ 5 min; 95℃ 1 min, 65℃ 30 s, 72℃ 30 s, 32个循环; 72℃ 10 min。的2个SNP位点二轮PCR程序均为95℃ 5 min; 95℃ 1 min, 61℃ 30 s, 72℃ 30 s, 32个循环; 72℃ 10 min; D-1795多态性位点二轮PCR程序与B基因组SNP位点二轮PCR程序相同。D357多态性位点的第二轮PCR程序为95℃ 5 min; 95℃ 1 min, 64℃ 30 s, 72℃ 30 s, 32个循环; 72℃ 10 min。取4 μL二轮PCR产物用对应限制性内切酶消化, 用5%琼脂糖凝胶电泳分离,根据酶切后片段大小统计分析不同材料基因型。

1.4 关联分析

利用开发的分子标记, 对农艺性状分析群体PA进行基因型扫描, 发现存在4种单倍型。运用TASSEL (version 5.2.51)软件的一般线性模型GLM (general liner model), 把群体结构(Q)作为协变量, 将-、-、-的基因型和表型性状进行关联分析。用SPSS (version 19.0)软件进行方差分析, 检测不同基因型/单倍型性状差异的显著性。

1.5 转基因水稻农艺性状测定

为进一步解析在作物生长发育中的功能, 将全长ORF克隆到双元表达载体pCAMBIA1390上, 用电击法转导农杆菌EHA105, 及农杆菌介导法转化水稻(Kitaake)。用PCR方法检测T0代转基因水稻, 并通过测序确定阳性植株。收获T0代转基因水稻种子, 在萌发期通过潮霉素抗性筛选转基因后代, 得到T1代转基因植株。在萌发期对T1代转基因种子进行潮霉素筛选, 根据根系生长情况, 判断T2代植株的分离比例, 筛选后代分离比符合3﹕1的株系进行加代, 再经潮霉素抗性筛选后得到T3代纯合转基因株系。

将大小一致的水稻种子置培养皿中, 在光照培养箱中水培3~4 d, 挑选发芽一致的种子种在装有草碳土的育苗盘中, 待长至4~5叶时, 将长势一致的幼苗移栽到大小相同、装有相同体积腐殖土的塑料盒中(70 cm × 38 cm × 40 cm), 每盒18株, 转基因株系后期水肥管理和野生型对照完全一致。在成熟期测定株高, 主穗长、穗分枝和穗粒数。用自动考种仪(万深SC-G)测量千粒重、粒长、粒宽, 用SPSS软件进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 TaNAC67序列多态性

在六倍体普通小麦中克隆了的3种基因组序列, 基因结构分析发现没有内含子, 序列比对表明它们分别来自小麦6A、6B和6D染色体,因此命名为-、-、-。-序列全长3484 bp, 包括启动子区2453 bp和编码区1031 bp;-序列全长3431 bp, 其中启动子区2560 bp, 编码区871 bp;-序列全长3843 bp, 其中启动子长2763 bp, 编码区1080 bp。通过对36份高多态性普通小麦测序, 在-启动子区–1516 nt处有1个G/A转换SNP, 在–873~ –748 nt处有一个126 bp的InDel (图1-A)。在-启动子–2014和–1916 nt处存在2个C/T转换SNP (图2-A)。在-启动子–1795 nt和编码区357 nt处各检测到1个SNP, 分别是T/G颠换和C/T转换(图3-A)。

图1 TaNAC67-6A序列多态性(A)及等位特异标记SNP-A-1 (B)和CAPS标记SNP-A-2 (C)

图C: 当–1516 nt基因型为A时不能被酶切, 当基因型为G时能够被酶切。M: 100 bp DNA ladder。

Fig. C: if the nucleotide at –1516 nt is A, the PCR product cannot be digested; if it is G, the PCR products can be digested. M: 100 bp DNA ladder.

2.2 TaNAC67-6A、TaNAC67-6B、TaNAC67-6D分子标记开发

根据-启动子区2个多态性位点, 开发了1个等位特异标记和1个CAPS标记, SNP-A-1和SNP-A-2。根据–1516 nt处G-A转换的差异, 设计含有内切酶I酶切位点(TGC▼GCA)的特异扩增引物。若–1516 nt处是A, 则PCR产物上没有酶切位点, 因此经I消化处理后琼脂糖凝胶电泳只有303 bp的单一条带; 若–1516 nt为G, 则PCR产物经I消化后产生273 bp和30 bp两条带(图1-C)。在A-126 nt (–873~ –748 nt)附近设计特异扩增引物A-126-F/R进行PCR扩增, 若有插入则PCR产物经琼脂糖凝胶电泳分离后是490 bp单一条带, 用+表示; 若没有126 nt的片段插入, PCR产物只有一条364 bp的条带,用“–”表示(图1-B)。在PA群体中, –1516 nt处基因型A占33.33%, 基因型G占66.67%; 在InDel位点, 有插入片段的基因型占5.71%, 没有插入片段的占94.29%。

在启动子区检测到2个多态性位点, –2014 nt (C/T)和–1916 nt (C/T), 分别开发了dCAPS分子标记SNP-B-1和SNP-B-2。通过引入错配碱基, 分别设计含有内切酶I (CTGCA▼G)和I (G▼CTAGC)的特异扩增引物B-2014-F/R和B-1916- F/R (表1)。若–2014 nt处基因型为C, PCR产物能被酶切, 产生294和25 bp两条带; 若–2014 nt处基因型为T, PCR产物不含I酶切位点, 因此电泳后只能看到319 bp单一条带(图2-B)。若–1916 nt基因型是C, PCR产物含有I酶切位点, 能够被酶切, 产生209 bp和23 bp两条带; 若在–1916 nt处是T, PCR产物不含酶切位点, 电泳仅检测到232 bp单一条带(图2-C)。PA群体在–2014 nt处基因型C占81.69%, 基因型T占18.31%; 在–1916 nt处, 基因型C占96.43%, 基因型T占3.57%。

根据-启动子和编码区的2个SNP位点分别开发CAPS标记SNP-D-1和dCAPS标记SNP- D-2。SNP-D-1所在位点是G-T颠换差异, 直接设计含有内切酶III (GG▼CC)的特异引物D-1795-F/R (表1)。若–1795 nt处是碱基T, 则PCR产物不含III酶切位点(GG▼CC), 不能被酶切, 电泳结果为308 bp单一条带; 若是碱基G, PCR产物含有酶切位点, 经III消化处理后, 电泳结果为276 bp和32 bp两条带(图3-B)。SNP-D-2所在位点是C-T转换差异, 引入错配碱基, 设计有内切酶I (G▼TCGAC)酶切位点的特异引物D357-F/R (表1)。若357 nt处碱基是T, PCR结果不含I (G▼TCGAC)酶切位点, 不能被酶切, 电泳显示为216 bp单一条带; 若357 nt处差异碱基是C, 能够被I酶切, 电泳结果显示为200 bp和16 bp两条带(图3-C)。PA群体在–1795 nt处, 基因型G占75.54%, 基因型T占24.46%; 在357 nt处, 基因型T占14.18%; 基因型C占85.82%。

图2 TaNAC67-6B基因序列多态性(A)以及dCAPS标记SNP-B-1 (B)和SNP-B-2 (C)

图B: 当–2014 nt基因型为C时能被酶切, 当基因型为T时不能被酶切; 图C: 当–1916 nt基因型为T时不能被酶切, 当基因型为C时能被酶切。M: 100 bp DNA ladder。

Fig. B: if the genotype at –2014 nt is C the PCR products can be digested; if it is T the PCR products cannot be digested. Fig. C: if the genotype at–1916 nt is T, the PCR products cannot be digested, if it is C the PCR products can be digested. M: 100 bp DNA ladder.

图3 TaNAC67-6D序列多态性(A)以及CAPS标记SNP-D-1 (B)和dCAPS标记SNP-D-2 (C)

图B: 当–1795 nt基因型是G时能被酶切, 当基因型为T时不能被酶切; 图C: 当357 nt基因型是T时不能被酶切, 当基因型是C时能被酶切。M: 100 bp DNA ladder。

Fig. B: if the genotype at –1795 nt is G, the PCR products can be digested; if it is T the PCR products cannot be digested. Fig. C: if the genotype at 357 nt is T the PCR products cannot be digested, if it is C the PCR products can be digested. M: 100 bp DNA ladder.

2.3 功能标记与农艺性状的关联分析

用的分子标记SNP-A-1、SNP-A-2、SNP-B-1、SNP-B-2、SNP-D-1和SNP-D-2对PA进行基因型扫描, 对PA在7个年点, 30种环境下的表型性状进行关联分析。结果显示, 只有来自-的标记SNP-D-1和SNP-D-2分别与穗长和每穗小穗数有显著关联(表2), 其余标记与表型性状之间无显著关联。

表2 TaNAC67-6D标记SNP-D-1、SNP-D-2与农艺性状相关性

SY: 顺义; CP: 昌平; DS: 旱处理; HS: 热处理; WW: 正常灌溉; SL: 穗长; TNSS: 每穗小穗数。n.s., 未达到-value为0.05的显著水平;*、**、***分别表示在0.05、0.01、0.001概率水平差异显著。

SY: Shunyi; CP: Changping; DS: drought stress; HS: heat stress; WW: well-watered; SL: spike length; TNSS: total number of spikelet per spike. n.s., not significant;*,**,***represent significant at the 0.05, 0.01, 0.001 probability levels, respectively.

关联分析表明, 标记SNP-D-1在30种环境条件下, 即9种水地、9种旱地、6种水热和6种旱热环境条件下, 均与穗长(spike length, SL)呈显著或极显著相关。标记SNP-D-2在20种环境条件下, 即7种水地、7种旱地、3种水热和3种旱热环境下, 与每穗小穗数(total number spikelet per spike, TNSS)呈显著或极显著相关(表2)。统计结果显示, 在PA群体中, 标记SNP-D-1位点基因型是T的材料穗长显著或极显著高于基因型为G的材料(图4-A), 标记SNP-D-2位点基因型为C的材料每穗小穗数显著或极显著高于基因型是T的材料(图4-B)。因此推测, 标记SNP-D-1-T是增加穗长的优异等位变异, 标记SNP-D-2-C是增加每穗小穗数的优异等位变异。

图4 30种环境下标记SNP-D-1和SNP-D-2两种基因型的表型比较

30种环境条件下标记SNP-D-1 (A)和SNP-D-2 (B)两种基因型穗长(A)和每穗小穗数(B)比较。*、**、***分别表示在0.05、0.01、0.001概率水平差异显著。

Comparisons of spike length (A) and total number of spikelet per spike (B) for two genotypes of SNP-D-1 (A) and SNP-D-2 (B) under 30 environmental conditions. *, **, *** represent significant at the 0.05, 0.01, 0.001 probability levels, respectively.

2.4 TaNAC67-6D单倍型与农艺性状的关系

标记扫描发现, 在PA群体中存在4种单倍型, 即-6D-1、-6D-2、-6D-3和-6D-4 (图3-A), 其所占比例分别是12.13%、63.24%、22.43%和2.21%。由于-6D-4所占比例小于5%, 为稀有单倍型, 因此在后续分析中不再考虑。统计分析发现, 除E2环境条件外, 29种环境条件下单倍型为-6D-3材料穗长均显著高于-6D-2的穗长; 在9种环境条件下(E6-E10、E13、E16、E27、E29),-6D-3的穗长显著高于-6D-1 (图5-A)。在18种环境条件下(E2-E4、E7-E13、E15-E17、E22、E25-E27、E29),-6D-3的每穗小穗数显著高于-6D-1, 而-6D-3与-6D-2之间没有显著差异(图5-B)。综上所述,-6D-3既能增加小麦穗长, 又能增加每穗小穗数, 因此是控制穗长和每穗小穗数的优异单倍型。

2.5 TaNAC67-6D单倍型在我国十大麦区的地理分布

根据地域气候特征、地势地形、栽培特点和播种、成熟期早晚等, 我国的小麦种植区划分为10个主要生态区域, 即北部冬麦区、黄淮冬麦区、长江中下游冬麦区、西南冬麦区、华南冬麦区、东北春麦区、北部春麦区、西北春麦区、青藏春-冬麦区和新疆冬-春麦区[34]。为了研究-三种单倍型在我国十大麦区的分布特点, 分别分析了农家品种群体(PL)和育成品种群体(PM)材料的单倍型。在PL中仅检测到两种单倍型, 即-6D-2和-6D-3。在黄淮冬麦区(II)、西北春麦区(VIII)、青藏春-冬麦区(IX)和西南冬麦区(IV)等4个麦区农家品种中只检测到-6D-2; 在其他6个麦区中-6D-2比例也均超过80%, 因此在农家品种中,-6D-2是优势单倍型(图6-A)。在PM中存在3种单倍型, 但是在青藏春-冬麦区(IX)中只检测到-6D-2, 在西南冬麦区(IV)和华南冬麦区(V)检测到-6D-2和-6D-3两种单倍型。与PL相比,-6D-3在PM的比例明显增加, 其中西南冬麦区(IV)中单倍型-6D-3从0增加到7.89%, 华南冬麦区(V)中从16.67%增加到28.57%。在其余的7个麦区中均存在3种单倍型, 其中-6D-1在东北春麦区(VI)和新疆冬-春麦区(X)两大麦区中比例显著上升, 分别从无各增加了20%和11.11%。在北部冬麦区(I)、北部春麦区(VII)、黄淮冬麦区(II)和长江中下游冬麦区(III),-6D-3的频率也呈明显上升趋势。由图6可以看出, 从农家品种到现代育成种,-6D-1和-6D-3的频率呈上升趋势, 说明这两种单倍型在育种中受到了选择。

图5 30种环境条件下TaNAC67-6D三种单倍型表型比较

在30种环境条件下3种单倍型穗长(A)和每穗小穗数(B)比较。不同的小写字母表示0.05水平下差异的显著性。

Comparisons of spike length (A) and total number of spikelet per spike (B) for three haplotypes ofunder 30 environments. Bars superscripted by different letters are significantly different at the 0.05 probability level.

图6 TaNAC67-6D单倍型在我国十大麦区的地理分布

-三个单倍型在我国十大麦区农家品种(A)和育成品种(B)群体中的分布。I: 北方冬麦区; II: 黄淮冬麦区; III: 长江中下游冬麦区; IV: 西南冬麦区; V: 南方冬麦区; VI: 东北春麦区; VII: 北方春麦区; VIII: 西北春麦区; IX: 青-藏冬春麦区; X: 新疆冬春麦区。

Haplotype distributions of-in landrace (A) and modern variety (B) populations. I: Northern Winter Wheat Zone; II: Yellow and Huai River Valleys Facultative Wheat Zone; III: Middle and Low Yangtze Valleys Autumn-Sown Spring Wheat Zone; IV: Southwestern Autumn-Sown Spring Wheat Zone; V: Southern Autumn-Sown Spring Wheat Zone; VI: Northeastern Spring Wheat Zone; VII: Northern Spring Wheat Zone; VIII: Northwestern Spring Wheat Zone; IX: Qinghai-Tibetan Plateau Spring-Winter Wheat Zone; X: Xinjiang Winter-Spring Wheat Zone.

2.6 转基因水稻穗部表型及其与关联分析结果的关系

对野生型和过表达转基因水稻株系(L1和L2)成熟期穗部性状测定分析发现, 转基因水稻主穗长显著大于野生型对照(图7-A, B)。同时转基因水稻主穗的一级分枝和二级分枝(图7-C)、主穗穗粒数(图7-D)均显著高于野生型, 虽然秕粒数也显著高于野生型(图7-E), 但最终饱满籽粒数仍显著高于野生型对照; 转基因水稻的千粒重与野生型之间没有显著差异(图7-F)。

3 讨论

NAC转录因子超家族是植物特有的转录因子超家族, 在植物体广泛存在。在玉米[35]、水稻[7]、马铃薯[36]、小麦[37]等均超过100个成员, 在植物的生长发育和逆境胁迫应答方面发挥着极其重要的作用。前人研究发现, 过表达能改变水稻根系结构, 并提高籽粒产量[10];和激活细胞程序性死亡相关基因表达, 诱导细胞死亡[38];参与抑制水稻开花[39]。、-过表达不仅可增加小麦根长, 还提高产量或生物量[14-15]。本研究采用关联分析方法, 发现参与控制小麦的穗长和每穗小穗数, 并通过转化水稻进一步证明上述结果, 说明在控制重要农艺性状发育方面发挥重要作用。

图7 转基因水稻穗部性状比较

转基因水稻穗部特征(A)及转基因水稻(L1、L2)与野生型(WT)主穗的穗长(B)、穗分枝(C)、千粒重(TGW)(D)、穗粒数(E)和空粒数(F)比较。**表示在0.01概率水平差异显著。

Comparisons of panicle traits between transgenic rice (L1, L2) and WT in panicle phenotype (A), panicle length (B), panicle branch (C), grain number per panicle (D), sterile grain number per panicle (E), and thousand grain weight (TGW) (F). ** Significant at the 0.01 probability level.

本研究克隆了包括上游启动子区和基因编码区的基因组序列-、-、-, 并通过直接测序检测其DNA序列多态性, 发现的3个拷贝均存在序列多态性, 其中-、-多态性位点均位于启动子区, 而-启动子区和编码区均存在SNP。关联分析发现-、-的4个标记SNP-A-1、SNP-A-2、SNP-B-1、SNP-B-2与所检测的农艺性状没有显著关联, 推测虽然这些变异位于启动子区, 但其对基因的表达可能影响不大, 因此与考察的性状没有显著关联, 后期还需要对此进一步深入研究。位于-编码区357 nt的SNP位点正好处于密码子的第3位, 其2种基因型均未导致氨基酸变异, 属于典型的同义突变, 说明在结构上很保守, 也暗示了其功能的重要性。

有研究发现,过表达能增加转基因水稻的穗数, 同时提高灌浆速率[11],过表达能够增加水稻小穗数[12]。我们通过关联分析发现,-的2个SNP位点分别与穗长和每穗小穗数显著相关, 而转基因结果表明过表达能增加水稻的穗长和穗分枝数, 同时穗粒数也有显著提高, 进一步验证了关联分析结果, 这一方面说明NAC转录因子参与调控小麦、水稻等农作物的穗部性状, 另一方面也说明-的2个功能标记可以用于穗部性状的选择。在PA中共检测到4种单倍型, 其中-6D-4为稀有单倍型, 未做进一步分析。对前3种单倍型材料的方差分析发现, 不同单倍型材料的穗长变化趋势明显, 即-6D-3＞-6D-1＞-6D-2, 且不同单倍型每穗小穗数变化趋势与穗长分析结果基本吻合, 因此认为-6D-3是增加穗长和穗粒数的最优单倍型。从3种单倍型在我国十大麦区的地理分布来看,-6D-2在黄淮冬麦区(II)、西北春麦区(VIII)、青藏春-冬麦区(IX)和西南冬麦区(IV) 农家品种中为主要单倍型, 所占比例达到了100%, 同时在其他几个麦区的比例也超过了80% (图6-A), 从一个侧面反映了-6D-1和- 6D-3可能是比较新的单倍型。在现代育成品种中, 除育种工作较弱的青藏春冬麦区(IX)外, 其他各区均检出-6D-1和/或-6D-3, 同时二者所占的比例也较农家品种有所提升(图6-B), 说明二者在我国小麦育种中受到了正向选择。

比较-6D-1和-6D-3, 二者对穗长和穗粒数均有正向贡献, 但是-6D-3的贡献更大。与此一致, 在绝大多数麦区的育成品种中-6D-3所占的比例也相对较大, 这在一定程度上反映了育种家对大穗多粒性状的关注。不过, 最优单倍型-6D-3在各大麦区中所占的比例仍然较低, 因此还有很大的提升利用空间。转基因水稻的表型也验证了小麦关联分析的结果。因此认为可以用于改良穗部性状, 本研究开发的-分子标记可用于小麦分子标记辅助选择育种。

4 结论

小麦基因-、-、-的多态性多数位于启动子区, 其编码区相对保守。在小麦自然群体中,-存在3种主要单倍型, 其中-6D-3是增加穗长和穗粒数的优异单倍型, 在我国小麦育种中受到了正向选择。可以用于改良农作物的穗部性状, 其功能标记SNP-D-1和SNP-D-2将有利于小麦分子标记辅助选择育种。

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Transcription factor geneinvolved in regulation spike length and spikelet number per spike in common wheat

ZHANG Hong-Juan1,2, LI Yu-Ying2,3, MIAO Li-Li2, WANG Jing-Yi2, LI Chao-Nan2, YANG De-Long1,*, MAO Xin-Guo1,2,*, and JING Rui-Lian2

1College of Life Science and Technology, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, Gansu, China;2Institute of Crop Sciences, Chinese Academy of Agricultural Sciences / National Key Facility for Crop Gene Resources and Genetic Improvement / Key Laboratory of Crop Germplasm and Utilization, Ministry of Agriculture, Beijing 100081, China;3College of Agriculture, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, Henan, China

NAC transcription factor is a plant specific superfamily and plays an essential role in regulating plant growth and development and stress response. Our previous research indicated thatinvolved in the response to various environmental stimuli and its overexpression resulted in enhanced tolerance to multiple abiotic stresses. To probe its roles in plant growth and development, a panel consisted of 36 wheat accessions with high diversity we need for polymorphism assays. The genomic sequences, covering the promoter region and gene coding region, were obtained by Sanger sequencing, and named as-,-, and-according to their genomic origins. For-,a SNP (A/G) at –1516 nt and a 126 bp InDel between –873 and –748 nt were identified in the promoter region, and one CAPS and one allele specific marker were developed, respectively. For, two SNPs, at –2014 and –1916 nt were detected, and two dCAPS markers were developed accordingly. For-, two SNPs, one at –1795 nt in the promoter region, and the other at 357 nt in the gene coding region were identified, and one CAPS and one dCAPS marker were designed, respectively. To probe the relationship of molecular markers and potential agronomic traits, we introduced a population (PA) with 282 common wheat accessions to perform association assay. No association was identified between markers from-andand agronomic traits. However, strong associations were identified between SNP-D-1and spike length (SL), and between SNP-D-2 and the total number of spikelet per spike (TNSS). Haplotype assays showed there were three major haplotypes in PA, i.e.-6D-1, -2, -3. Furthermore, the SL of accessions with-6D-3 was significant longer than that with the other two haplotypes under all 30 environments, and the TNSS was significant larger under 22 environments, thus-6D-3 is an elite haplotype for both SL and TNSS, which was selected positively in the process of wheat breeding in China. Further transgenic experiments revealed that-rice lines had lager panicles and more seeds relative to wild type, which is consistent with the association assay results. Therefore,is a potential candidate gene in spike traits improvement, and-might be used in marker assistant molecular breeding in wheat.

wheat;transcription factor; single nucleotide polymorphism; functional marker; haplotype; association assay

本研究由国家重点研发计划项目(2017YFD0300202)和甘肃省现代农业产业技术体系项目(GARS-01-04)资助。

This study was supported by the National Key Research and Development Plan (2017YFD0300202) and Gansu Agriculture Research System (GARS-01-04).

杨德龙, E-mail: yangdl@gsau.edu.cn, Tel: 0931-7631742; 毛新国, E-mail: maoxinguo@caas.cn, Tel: 010-82105829

E-mail: 1412360690@qq.com

2019-01-23;

2019-05-12;

2019-05-22.

URL:http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20190521.1451.006.html

10.3724/SP.J.1006.2019.91009