作為全球最重要的糧食作物之一，小麥滿足了人類20%的卡路裡和蛋白質需求，，為全球超過三分之一的人口提供能量來源。受極端天氣條件和國際局勢影響，今年幾個主要出口國紛紛減産。聯合國糧農組織資料顯示，今年小麥出口價格上漲了46%，全球食品價格已經漲至10年來最高點，明年小麥價格将繼續飙升并加劇全球食品通脹，提高小麥産量是直接關系到世界糧食安全的重大問題。小麥産量受三個主要因素的影響:機關面積穗數、粒重和每穗籽粒數，其中機關面積穗數受分蘖數影響，每穗籽粒數由小穗數（SNS）和小穗籽粒數決定。
近日，俄克拉荷馬州立大學小麥分子遺傳實驗室克隆了一個CONSTANS-like家族基因，TaCOL-B5，該基因對小穗數、分蘖數以及單株産量等性狀都有明顯的調控作用，田間測産顯示該基因對小麥增産有極顯著的促進作用。該項研究以題為“TaCol-B5 modifies spike architecture and enhances grain yield in wheat”于4月8日在《Science》上線上發表。
圖1 A調控小穗發育的主效QTL QSns.osu-7B定位于小麥Chr7B染色體上；B通過分子标記篩選，得到4個關鍵重組體植株（F5代）；C-F P11-58、P19-236、P11-63和P19-1121的F6代重組體株系中小穗數（SNS）表型分離。
該實驗室在前期研究中通過CItr 17600 和揚麥18兩個品種的雜交建構了一個F2代群體，并使用圖位克隆的方法在染色體Chr7B上鑒定到一個主效QTL（QSns.osu-7B），能夠解釋群體中43%的SNS表型分離（圖1A）。為了克隆該基因，該實驗室從1857個F5代植株中篩選到了4個關鍵的重組體植株，并根據其子代的SNS 分離情況，将候選基因限制在兩個分子标記（SNS-M1 和 SNS-G2M3）之間，約為318,786 bp的區域。在該區域存在兩個候選基因：TraesCS7B02G400600 和 TraesCS7B02G400700（圖1B）。通過序列分析發現，TraesCS7B02G400700基因編碼區以及其可能的啟動子區在兩親本間不存在序列差異；然而TraesCS7B02G400600基因編碼區在兩親本間存在多個SNP位點，推測該基因參與調控SNS性狀的可能性較大。由于TraesCS7B02G400600編碼了一個CONSTANS-like蛋白，與植物中的COL5基因同源，是以命名為TaCOL-B5。為驗證其功能，該實驗室通過轉基因技術過表達其顯性等位基因TaCol-B5後獲得4個獨立的轉基因植株，然後在溫室和田間條件下對子代的轉基因株系進行種植并發現該基因的過表達能夠增加小穗數和穗長，對小麥籽粒産量有顯著促進作用（圖1C）。
圖2 A溫室條件下非轉基因植株與TaCol-B5過表達株系間存在明顯的表型差異，過表達株系和對照植株在SNS表型（B）和每穗粒數（C）均有顯著差異；D 田間條件下T2代TaCol-B5過表達株系與非轉基因植株間存在明顯的表型差異，過表達株系和對照植株在SNS（E）、穗長（F）、每穗粒數（G）和每株穗數（H）上均存在顯著差異；I-J田間條件下T3代TaCol-B5過表達株系與非轉基因植株間存在的表型差異仍然非常明顯。
為驗證這一發現，該實驗室在田間條件下對轉基因株系進行了連續兩年的種植，對産量性狀相關表型進行驗證（圖2）。結果顯示，揚麥18的4個TaCol-B5過表達株系比非轉基因揚麥18産量平均增長了11.9%，增産效果最為顯著的一個株系産量提高19.8%。在以往克隆的小麥産量性狀相關基因中，尚沒有哪個單基因對穗部發育和籽粒産量具有如此顯著的作用效果。
圖3A酵母雙雜實驗證明顯性等位基因編碼蛋白TaCol-B5與TaK4存在互作；B TaCol-B5和Tacol-B5氨基酸序列存在三個氨基酸位點的差異，标紅部分為有可能被磷酸化的位點；C 磷酸化實驗證明TaCol-B5能夠被TaK4磷酸化。
該實驗室進一步發現，TaCol-B5受到絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶TaK4的磷酸化而激活，TaCol-B5的Ser269為TaK4作用的磷酸化位點（圖3），這是首次發現TaK4磷酸激酶能夠調節穗部發育和産量性狀。該實驗室又通過基因編輯對Tacol-B5功能域進行堿基敲除，在兩株編輯成功植株Tacol-B5-ED1和Tacol-B5-ED12的CCT功能域中分别引入1個堿基和7個堿基缺失突變。在溫室條件下，Tacol-B5-ED1和Tacol-B5-ED12的T1代堿基敲除株系與對照相比，表現出了開花期延遲和株高減少的特性，該表型進一步驗證了TaCol-B5的功能。
圖4 通過基因編輯對Tacol-B5進行堿基敲除，在兩株編輯成功植株中分别引入1個堿基和7個堿基缺失突變（A和B）；與對照相比，兩個堿基缺失株系在開花期（C和D）和株高（E和F）上差異顯著；不同CCT蛋白家族結構比較（G和H）
TaCol-B5是通過自然突變産生的顯性等位基因，該等位基因在目前世界範圍内種植的普通小麥品種中出現頻率非常低，這也是該基因很難被發現的原因之一。該基因的發現對于深入了解小麥産量性狀基因的作用機制具有裡程碑式的意義，使我們對小麥增産機制有了更深入的了解。
俄克拉荷馬州立大學小麥分子遺傳實驗室Liuling Yan教授和Brett F. Carver教授為該文通訊作者。第一作者包括：該實驗室畢業生張小雨博士（現供職于中國農科院麻類所南方經濟作物研究中心），賈海燕教授（現供職于南京農業大學農學院）及李甜副研究員（現供職于中國農科院作物科學研究所）。
原文連結：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm0717
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