实现作物产量相关性状的协同改良一直是作物育种者终极的追求和梦想。然而，在育种实践中，这个目标的实现往往受到不同性状之间权衡效应（trade-off effects）的制约。目前，关于如何克服产量相关性状之间的权衡效应，实现多个产量相关性状的协同改良以提高产量仍然缺乏良策。

2024年5月24日，西北农林科技大学生命科学学院赵惠贤教授团队联合中国农业科学院作物科学研究所景蕊莲研究员团队在Plant Biotechnology Journal在线发表了题为Pleiotropic phenotypic effects of the TaCYP78A family on multiple yield-related traits in wheat的研究论文，首次报道了在小麦中利用TaCYP78A家族成员的多效性实现多个产量相关性状的协同改良及产量的提高，为小麦及其他作物高产育种提供了新视角。

CYP78A是细胞色素P450超家族中植物特有的亚家族之一，研究发现该家族成员调控多种植物的器官大小。但由于粒重和粒数之间的权衡，鲜有利用TaCYP78A家族成员提高作物产量的报道。该研究发现小麦TaCYP78A家族包含TaCYP78A3/5/16/17四个成员，均在多个器官广泛表达。过表达和功能缺失研究表明TaCYP78A3/5/16/17调控株高、千粒重（TGW）和单株粒数（GN）等多个产量相关性状。但因TGW和GN之间存在权衡效应，TaCYP78A家族成员过表达或功能缺失均不能提高小麦产量。分析全球1571份小麦种质中TaCYP78A家族成员的自然变异，发现该家族成员位于A亚基因组基因的启动子区（TaCYP78A3/5/16/17-Ap）存在四种优异单倍型（A3/5/16/17Ap-HapII），与多个产量相关性状密切关联（图1）。

图1 TaCYP78A3/5/16/17-Ap的单倍型与不同产量相关性状的相关性

A3/5/16/17Ap-HapI/II指TaCYP78A3/5/16/17基因启动子的两种单倍型

进一步研究发现上述四个优异单倍型能够优化TaCYP78A3/5/16/17-A在不同器官中的表达水平，且在不同产量相关性状的改良方面具有特异性和互补性。多个优异单倍型在小麦品种中的聚合，克服了产量性状间的权衡效应，促进了株高、分蘖数、穗粒数和千粒重等多个产量性状的协同改良（图2）。即使在干旱、高温胁迫和不同种植密度下，小麦中优异单倍型的聚合仍能促进产量提高（图3）。

分析单倍型分布规律发现，在我国现代小麦育种过程中，育种家对产量相关性状的选择促进了TaCYP78A3/5/16/17-Ap四个优异单倍型在小麦品种中的聚合，导致现代栽培小麦品种中多个优异单倍型聚集的频率远高于地方品种和老品种，促进了现代栽培小麦产量相关性状的改良和产量的提升（图2和图 3）。

图 3 小麦TaCYP78A家族优异单倍型的聚合改善多个产量相关性状并提高产量

西北农林科技大学生命科学学院青年教师马猛博士、博士生吴林楠、已毕业硕士生李梦瑶、中国农业科学院作物科学研究所李龙副研究员为论文共同第一作者；中国农业科学院作物科学研究所景蕊莲研究员、西北农林科技大学生命科学学院马猛博士和赵惠贤教授为论文通讯作者。西北农林科技大学康振生院士、澳大利亚La Trobe University的Rudi Appels教授、美国Kansas State University的Guihua Bai教授、西北农林科技大学马闯教授、毛虎德教授给予了帮助和指导。研究获得国家自然科学基金和陕西省重点研发计划的支持。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1111/pbi.14385

文章来源：植物生物技术Pbj