PBJ | 中国农科院作物科学所张学勇团队揭示植物生物技术Pbj发育调控新机制

2023年2月10日 0条评论 796次阅读 0人点赞
2023年2月9日, Plant Biotechnology Journal在线发表了中国农业科学院作物科学研究所小麦基因资源挖掘与创新利用团队张学勇课题组题为“TaTPP-7A positively feedback regulates grain filling and wheat grain yield through T6P-SnRK1 signaling pathway and sugar-ABA interaction”的研究论文。该研究克隆并解析了小麦磷酸海藻糖基因（TaTPP-7A）在正向反馈调控小麦籽粒淀粉合成中的关键作用，揭示了海藻糖途径在调控小麦籽粒发育、决定籽粒大小并最终提高小麦产量的枢纽调控作用及其重要分子作用机理。首次在重要粮食作物小麦中证实和确立了T6P信号通路在提高谷物作物产量方面所具有的巨大潜力。

籽粒大小和灌浆是决定小麦千粒重的两个关键因素。自谷类作物驯化和现代育种以来，两者均为选择的关键农艺性状，因此，对其性状形成的遗传解析，有助于进一步提高作物的产量潜力。张学勇课题组在对我国262微核心(MCC)的全基因组关联 (GWAS)分析中，发现在小麦7AS染色体135 Mb（CS V 1.0）处存在着一个与小麦籽粒TKW显著关联的QTL位点（图1）。该位点附近的SSR 标记Wmc17的不同等位变异可以解释19.62%的表型变异（Wang et al., 2010, PLoS ONE）。后续课题组结合对TKW性状差异显著的F2遗传分离群体的Bulk Segregation RNA-sequencing (BSR-seq)分析、育种和驯化选择谷分析以及LD区段内的差异基因表达分析，确定候选基因为海藻糖-6-磷酸-磷酸酶编码基因TaTPP-7A（图1），该基因编码蛋白为糖信号T6P的去磷酸化酶，主要在发育籽粒的糊粉层中高度表达。在Fielder中过表达TaTPP-7A，可显著提高籽粒的千粒重（4.2-11.5 g）和单株产量（24.0 %），粒长平均增加约0.33 mm，籽粒成熟期提前2-5天；而RNAi干扰和CRISPR/ Cas9基因编辑株系则表现出相反的趋势（图2），证实TaTPP-7A是一个调控籽粒TKW和产量的正向功能基因。

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图1 TaTPP-7A基因的克隆和验证

蔗糖是籽粒淀粉合成所需底物和能量的主要来源，因此，蔗糖的水解决定和影响着籽粒的淀粉合成和填充。然而，在小麦籽粒中，调控籽粒蔗糖卸载和代谢的具体分子作用机制尚不十分清楚。近年来，由于发现T6P在谷类作物中具有调控产量的潜在作用，引起了比较广泛的关注。T6P是植物中应答蔗糖浓度水平的重要信号分子，但T6P如何参与蔗糖代谢、调控作物产量形成尚不十分明确。该团队通过转基因过表达、RNAi介导的干扰沉默和CRISPR/Cas9介导的基因敲除突变技术、RNA-seq以及结合籽粒中糖和淀粉测定等生理生化方法，系统研究了TaTPP-7A在小麦籽粒发育和蔗糖调控中的作用。研究发现TaTPP-7A过表达株系中淀粉籽粒堆积整齐、致密，A型淀粉粒饱满；而RNAi干扰株系的淀粉籽粒则堆积松散，A型淀粉粒明显填充不足；除此之外，CRISPR基因敲除突变体中的淀粉籽粒直径明显变小、数量也显著减少（图3），证实了TaTPP-7A调控小麦籽粒中的淀粉合成。进一步的研究发现TaTPP-7A主要通过T6P-SnRK1途径和Sugar-ABA相互作用而反馈调控蔗糖在籽粒胚乳细胞中的分解、源-库流动和重新分配利用，并最终影响籽粒的灌浆和产量（图4）；该研究初步确立了T6P代谢通路在小麦籽粒蔗糖分配和源-库互作系统中的枢纽作用，并提出进一步利用海藻糖通路提高谷物作物产量的可能性。

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图2 TaTPP-7A可显著提高小麦TKW、灌浆速率和单株产量

通过对在1347份小麦种质资源中的TaTPP-7A进行基因分型的基础上，结合该基因的单倍型从野生四倍体到栽培四倍体、再到普通小麦地方品种以及现代育成品种中的变化规律分析，发现TaTPP-7A是一个重要的驯化和育种靶标基因（图5），这与小麦驯化和育种对大粒、饱满和早熟性状的选择相一致。我国小麦种质资源偏向性选择该基因的高TKW和早熟性状。TaTPP-7A的优异单倍型通过快速灌浆可逃避小麦生长后期的干热风，因而为应对全球气候变暖对小麦产量形成的不利影响提供了可选择基因。

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图3 转基因过表达（OE）、RNAi干扰沉默及CRISPER/Cas9基因敲除突变体株系中淀粉颗粒影像特征（b，c）分析

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图4 TaTPP-7A调控小麦淀粉合成和籽粒灌浆的可能分子作用机理模型

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图5 TaTPP-7A单倍型类型及在小麦驯化和育种中的演化规律

该论文第一作者为中国农业科学院作物科学研究所刘红霞博士（副研究员），研究方向为小麦功能基因组学，通讯作者为中国农业科学院作物科学研究所张学勇研究员和刘红霞副研究员。中国农业大学郭伟龙教授和作科所生物信息课题组刘君研究员参与了该论文的合作研究。该研究得到了国家自然科学基金项目（91935304和31471492）、“十三五”重点研发计划（2016YFD0100402 和2016YFD0100302）及中国农业科学院创新工程资助。

文章来源：植物生物技术Pbj

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