小麦抽穗期的遗传调控研究进展

刘春怡,杨 茜,张艺晓,张香粉,张兵阳,石超男,赵 磊,董中东,陈 锋

(1.河南农业大学农学院/CIMMYT-中国小麦玉米联合研究中心,河南郑州450046; 2.河南省种子站,河南郑州451199)

小麦是全世界分布范围最广、种植面积最大、总产量最多且总贸易额最高的粮食作物之一,是全世界35%以上人口的主要口粮。中国是小麦消费大国,提高小麦产量对保障中国粮食安全至关重要[1]。小麦产量受遗传因素和环境因素的共同影响,其中生态适应性对小麦产量起决定性作用。生态适应性是指小麦随着环境条件的变化而进行自身调节,使自身形态、结构和生理生化特性发生改变,以便于适应新环境。抽穗期是小麦重要的农艺性状之一,在一定程度上可反映小麦生态适应性的优劣。在现代小麦育种方案中,抽穗期是小麦主要的育种目标性状之一,不仅与生育期关系密切,而且对小麦产量、抗病性、抗逆性等多个农艺性状具有重要影响。因此,对小麦抽穗期遗传调控机制的研究与解析对持续农业生产具有重要意义[2]。

1 小麦抽穗期相关基因的遗传调控

抽穗期是决定植物对特定自然环境适应性的关键时期,研究小麦抽穗期相关基因有助于了解抽穗期调控机制,对小麦遗传育种具有重要意义。小麦抽穗期是受多个遗传位点调控的复杂数量性状,主要由春化、光周期等相关基因调控,各基因的调控网络示意图见图1。

图1 小麦抽穗期相关基因的调控网络示意图

1.1 春化基因的遗传调控

冬小麦占据了中国小麦总面积和产量的80%以上,需经历春化作用才能正常抽穗和开花。春化是指冬小麦需要经历一段时间的低温条件,才能促进花芽形成和花器发育,这种低温诱导植物开花的效应叫做春化作用[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是第一个在栽培一粒小麦(T.monococcum)中通过图位克隆技术获得的春化基因,包含Vrn-A1、Vrn-B1和Vrn-D1三个等位基因,分别位于5A、5B和5D染色体长臂上,直接影响小麦的抽穗期和开花期[5-7]。随后,Vrn-2和Vrn-3也分别在小麦和大麦中相继被克隆[8-10]。

春化基因Vrn-1是决定冬小麦春化进程的关键基因[5-7]。Xu等[11]研究表明,冬小麦春化之前,Vrn-1基因在各种蛋白质的作用下形成包含完整Vrn-1可变剪切(VAS)序列的loop环结构;在春化早期,Vrn-1产生更多的VAS转录本;随后,转录因子TaRF2b和TaRF2a通过Sp1基序识别Vrn-1的启动子区域,从而促进Vrn-1转录;春化期间,loop环结构遭到破坏,促使TaRF2b-TaRF2a复合物与Sp1基序结合,进一步促进Vrn-1转录,加速抽穗开花。Xiao等[12]研究发现,春化诱导基因VER2也可促进Vrn-1的转录,显著影响小麦抽穗开花和小穗发育。VER2RNA结合蛋白TaGRP2响应春化作用,发生糖基化(O-GlcNAc)修饰,并进一步与Vrn-1的前体mRNA结合,抑制Vrn-1mRNA的累积;而VER2基因通过与糖基化修饰的TaGRP2蛋白相互作用,促进Vrn-1基因上调表达。在春化过程中,VER2和TaGRP2之间的这种互作逐渐增强,因此降低了TaGRP2蛋白在细胞核中的累积,促进TaGRP2与Vrn-1mRNA分离,加速Vrn-1mRNA累积。

Vrn-2作为开花抑制基因,编码含有锌指和CCT功能域的转录因子,在春化过程和短日照条件下均下调表达,而CCT功能域的缺失则会降低小麦对春化的需求[13]。Chen等[14]利用TILLING技术分析了Vrn-1、Vrn-2和Vrn-3基因之间的互作关系,并详细阐明了上述3个基因对开花时间的调控模型,发现春化基因Vrn-3通过与bZIP转录因子FDL2基因相互作用,促进Vrn-1基因的表达,进而影响小麦抽穗期;而春化基因Vrn-2则是通过抑制Vrn-3和Vrn-1基因的表达,来负向调控小麦抽穗期。其中,FDL2基因是拟南芥FD的同源基因,直接结合Vrn-1启动子区域的ACGT元件,从而加速小麦抽穗[15]。在长日照条件下,Vrn-1可直接激活Vrn-3位点等位基因Vrn-B3的表达,加速小麦抽穗开花[16-17]。当Vrn-1位点3个等位基因(Vrn-A1、Vrn-B1和Vrn-D1)任何一个为显性时,小麦的发育特性表现为春性;若这3个基因全为隐性时,小麦的发育特性则表现为冬性,此外Vrn-A1和Vrn-B1对开花时间的影响机制相似,只有Vrn-B1对作物生长速率有影响[18]。Vrn-4基因与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]。目前已有多个春化基因的等位类型被相继报道[20]。除此之外,Zhang等[21]从3个普通小麦品种中发现了Vrn-D1基因的一种新的等位变异Vrn-D1c,该变异可导致小麦抽穗开花提前;Chen等[22]从中国小麦地方品种中发现了Vrn-B3基因的一种新的等位变异Vrn-B3b,该变异可导致小麦抽穗延迟;Berezhnaya等[23]也发现了Vrn-B3基因的两个新的等位变异Vrn-B3e和Vrn-B3d。

1.2 光周期基因的遗传调控

光周期反应是植物通过感受日照时间长短而控制生长开花的一种生理现象。在整个植物物种中,光敏色素通过调节开花时间,来响应光周期变化。光敏色素B基因(phyB)和光敏色素C基因(phyC)在长日照条件下可加速抽穗进程,其中phyC的促进作用更明显[24]。Kippes等[25]对四倍体小麦phyB和phyC功能缺失突变体的分析表明,在短日照条件下这两个基因可抑制小麦抽穗开花;转录组测序结果表明,许多光周期基因与phyB和phyC基因之间存在显著的相互作用,这可能是不同光照条件下抽穗时间不一致的原因之一。经过长期的驯化和选育,不同小麦品种对光周期的反应不同,早熟品种在长日照和短日照条件下均能成熟,而在短日照条件下小麦分蘖旺盛,开花延迟。光周期反应主要由Ppd-1基因控制,有Ppd-A1、Ppd-B1和Ppd-D1三个等位基因,分别位于2A、2B和2D染色体短臂上[26-27]。前人研究认为,Ppd-1的不同等位基因影响小麦对日照长短的敏感性,导致小麦生长表现出多样性。在干热环境下,光周期非敏感型基因(Ppd-A1a、Ppd-B1a和Ppd-D1a)占主导地位[28-29],Ppd-1位点的3个等位基因中,Ppd-D1的光周期作用最强,除含有Ppd-D1a和Ppd-D1b等位变异[30-31]外,Zhang等[20]从国内小麦品种中还发现了Ppd-D1的两种新的单倍型HapI-Ⅸ和HapI-Ⅹ。Chen等[22]从中国小麦地方品种中发现了光周期基因Ppd-D1的两种新的单倍型HapI-Ⅶ和HapI-Ⅷ。Ppd-D1主要促进花原基形成,在长日照或短日照条件下一般可使小麦开花提前2～7 d,进而使小麦生育期缩短,通常情况下Ppd-D1还可使小麦株高降低约4 cm,小穗数减少约1.25个,但小穗数的减少可因结实小穗的增加而补充,另外由于Ppd-D1也可使小麦分蘖数减少,因此小麦产量的增加主要靠主茎成穗[32-33]。

1.3 与抽穗期相关的其他QTL/基因的研究进展

除春化和光周期基因与抽穗期有关外,还发现了许多与抽穗期相关的其他QTL/基因。Zhang等[30]利用Proteo和Chaja构建的RIL群体为材料,在2B、3A、4A、4B、6B、7A、7B和7D染色体上均鉴定到与小麦抽穗期相关的QTL。Kazusa等[34]利用四倍体小麦品种TN26(TriticumturgidumL. ssp.dicoccum)在7A染色体上鉴定到一个与抽穗期相关的QTL,其早熟效应超过了TN28(T.turgidumL. ssp.turgidumconv.pyramidale)携带的等位基因Ppd-A1a。Li等[35]利用γ射线诱导的早抽穗突变体eh1与晚抽穗品种轮选987杂交,创制出包含400个株系的RIL群体,在5B染色体上检测到与抽穗期相关的QTL;同时发现突变体eh1中Vrn-B1基因的第一个内含子区域存在一个缺失片段,并证明它与RIL群体的抽穗期密切相关;Xiong等[36]进一步对该RIL群体F6～F8代材料进行鉴定,共发现9个与抽穗期相关的QTL,分别位于1B、2B、3A、4A、5B和6B染色体上,其中qHD5B和qHD6B位点在所有重复中均能检测到,分别可解释18.4%～48.8%和3.3%～11.6%的表型变异。Chen等[10,37]分别利用Yi5029和农大4332以及核生2号和农大4332构建的RIL群体对小穗数和抽穗期相关的QTL进行了定位,分别在7A和7D染色体上发现了候选基因FT-A1和FT-D1,这两个基因分别在第三外显子发生了T-G的突变和一个碱基G的缺失,其中FT-D1基因使小麦小穗数增加且抽穗期发生延迟。Kiseleva等[38]利用中国春和CS-5Bdic[中国春5B染色体被野生二粒小麦(Triticumdicoccoides)5B染色体取代]杂交得到的116个重组自交系为材料,并结合5B染色体上78个与抽穗期显著相关的标记,发现了与小麦抽穗期相关的转录因子基因WRKY、ERF/AP2和FHY3/FAR1。Yang等[39]利用兰考86和Rebeldez回交后代中抽穗早和抽穗晚的纯合基因型材料,发现多个差异表达基因与Vrn-A1、Vrn-B3和Ppd-D1存在生物学联系,且TraesCS2D02G181400编码MADS-MIKC转录因子,与Vrn-A1基因共表达,表明该基因可能与抽穗开花相关。Hu等[40]从六倍体小麦中克隆到一个光调节基因TaLWD1L-A,其编码一个含有WD40功能域的蛋白,通过影响Vrn-1、Vrn-2和Ppd-1基因的表达,间接调控Vrn-3基因在小麦中的表达。

此外,Cao等[41]在冬小麦京841中筛选到一个春化基因TaIRI9,在野生小麦中过表达该基因可导致株高降低,分蘖数增加,且抽穗期推迟;该研究还发现,TaIRI9基因通过促进Vrn-2基因的表达,抑制Vrn-1和Vrn-3基因的表达,进而调控小麦抽穗开花,参与小麦春化调控途径。研究还发现,普通小麦中存在与春化和光周期基因不同的早熟基因Eps,该基因在一粒小麦的1Am染色体和六倍体小麦的1D染色体长臂上被鉴定出来,对小麦成熟期和抽穗期均具有重要影响,但该基因的研究进展较为缓慢[42-43]。此外,赤霉素(GA)在小麦抽穗期的调控上也起到了关键作用[44-46]。这些研究成果为选育广适性小麦品种提供了重要的基因资源和理论支撑。

2 小麦抽穗期相关基因对产量的影响

研究表明,小麦抽穗期与籽粒产量呈显著正相关,在干旱条件下尤为明显[47-48]。与抽穗期相关的基因通过影响小麦小穗数[37,49]和每个小穗可育小花的数目来提高小麦产量[50],如春化基因Vrn-1突变后可延缓小麦开花,影响穗粒数和小麦产量[51];光周期基因Ppd-1与小麦穗长、株高和千粒重显著相关,其单倍型Hapl-A1可使穗长增加4.72%～5.93%,而单倍型Hapl-B1和Hapl-D1则可使抽穗期分别提前0.58%～0.75%和1.24%～2.93%,株高分别降低5.64%～13.08%和13.62%～27.30%[52]。因此,研究小麦抽穗期相关性状的遗传位点,可为调控小穗发育以及提高小麦产量提供有用的信息,对于确保粮食安全具有重要意义。

3 小麦抽穗期遗传研究的展望

抽穗期是影响小麦高产、稳产和适应性的重要农艺性状之一。适宜的抽穗期不仅可使小麦避免倒春寒危害,而且还可以延长灌浆期,提高产量。小麦抽穗期是一个数量遗传性状,是植株从营养生长过渡到生殖生长的关键发育阶段,春化作用、光周期反应、早熟因子以及环境因素之间存在着复杂的相互关系。植物对环境温度变化的感知和响应能力对其生存和繁殖成功至关重要[53]。由于全球气候恶劣变化,需要小麦具有更强的胁迫耐受性,但传统育种为了提高耐受性需要较长的育种周期,虽然分子标记辅助选择育种可以加速这一周期,但目前用于生产的小麦品种仍然没有完全解决这一问题。另一方面,关于小麦早熟的报道多是从小麦早熟性状的筛选指标、控制因子、化学调控等方面进行阐述,而在遗传方面的研究还未见有报道。近年来随着对模式植物(如拟南芥、金鱼草等)中调控抽穗开花相关基因的克隆及其功能的深入研究,抽穗期相关基因的调控机理已成为植物发育生物学新的研究热点。利用高通量测序、多组学分析、突变体筛选以及关联定位等现代生物学技术,结合化学、计算机科学等各类学科的相关理论知识,可加速小麦抽穗期遗传研究进展,为今后通过调整小麦抽穗期来提高小麦产量奠定基础。