文獻速覽｜表皮細胞長度的增加是影響六倍體小麥粒重QTL的基礎

由於用於農業的土地有限，增加作物產量是滿足這一需求的可持續途徑。近年來產量增長速度有所放緩，目前還不足以實現預計到2050 年所需的作物產量翻番。預測表明，提高現有農田的生產力將有助於增加可用糧食供應並降低價格，從而顯著減少全球面臨飢餓風險的人數。

作物最終產量是一個複雜的數量性狀，受遺傳和環境因素的相互作用影響較大。對於穀類作物，粒重（以千粒重計）是主要的產量組成部分，比最終產量本身更穩定地遺傳。粒重主要由單個籽粒大小和籽粒面積、長度和寬度的形態測量組成。許多控制這些性狀的基因已從水稻的主要粒重數量性狀基因座 （QTL） 中克隆出來。但在小麥中，雖然已經鑑定了許多粒重 QTL，但很少有研究對這些 QTL 的機制進行報道、驗證和克隆。

驗證和定義控制多倍體小麥粒重QTL 機制的一個主要挑戰是，與在水稻等二倍體物種中鑑定的QTL 相比，它們的影響通常很微效。一種解釋是，與水稻相比，小麥增加籽粒大小的能力更為有限。另一種更可能的情況是，單個基因變異的影響被同源基因複製的功能冗餘所掩蓋；麵包小麥是一種六倍體物種，具有三個同源基因組（A、B 和 D），這些基因組在基因之間具有96-98% 的序列相似性。此外，小麥基因組的大小 （17 Gb） 和高度重複性意味著，直到現在，小麥中可用的基因組資源仍然有限。

Jemima Brinton等人於2017年4月26日在New Phytologist上發表了題為“Increased pericarp cell length underlies a major quantitative trait locus for grain weight in hexaploid wheat”的論文。在本研究中，作者利用遺傳作圖和近等基因系（NILs）對一個與粒重相關的主效QTL進行了定位和驗證，該粒重位點是透過粒長的增加來影響的。QTL影響籽粒中的細胞擴增並起到增加表皮中細胞長度的作用，該位點被定位到5A染色體上，並使用最新的小麥基因組序列和基因模型來定義物理空間內的基因。該QTL為表皮細胞擴張影響最終籽粒大小提供了直接的遺傳學證據，為多倍體小麥粒重調控機制提供了新的見解。

結果

1、在5A染色體上存在一個與粒重增加有關的QTL

Fig。 1 Quantitative trait loci （QTL） analysis and near-isogenic line （NIL） development。

Fig。 2 Chromosome 5A genetic/physical map and thousand grain weight （TGW） multi-trait multi-environment （MTME） analysis。

2、與

Qtgw-cb。5A

不同的近等基因系在TGW上的差異為6。9%

Table 1 Mean thousand grain weight （TGW）， yield and grain morphometric parameters of 5A near isogenic lines （NILs）。

3、5A+近等基因系TGW的增加主要是由於籽粒長度的增加

Fig。 3 Distribution of grain length of wheat near isogenic lines （NILs） from whole plot samples。

4、5A QTL區域在籽粒發育過程中起著增加籽粒長度的作用

Fig。 4 Grain development time course of 5A- and 5A+ near isogenic lines （NILs）。

5、5A+近等基因系增加了表皮細胞長度，而與絕對粒長無關

Fig。 5 Comparisons of cell length between 5A- and 5A+ near isogenic lines （NILs）。

6、粒長QTL定位於75Mb/4。3 cM的遺傳區間

Fig。 6 Grain length maps to a 4。3 cM interval on wheat chromosome 5A。

總結

小麥和大麥授粉後不久，細胞分裂減少（2-6天），在籽粒發育過程中，細胞擴增在增加表皮大小方面起主要作用。以上研究與5A基因在表皮細胞中擴增的作用是一致的，因為在授粉後12天，一旦細胞擴增開始，籽粒大小的顯著差異才被觀察到。總之，此研究結果表明，該QTL直接或間接調節表皮細胞的擴增，這種機制已知是幾個物種中籽粒大小的關鍵決定因素。一些基因，如擴充套件蛋白和 XTH（木葡聚糖內轉葡糖基酶/水解酶），透過物理修飾或“鬆散”細胞壁直接影響細胞擴增，並且在小麥和大麥中，這些酶的表達與表皮細胞擴增有關。其他基因間接調節表皮細胞大小，例如透過調節糖代謝和隨後在液泡中的積累和核內複製。此研究結果為果皮細胞擴增會影響多倍體小麥的最終籽粒大小和重量提供了直接的遺傳證據。

原文連結： https：//nph。onlinelibrary。wiley。com/doi/full/10。1111/nph。14624

翻譯：謝欣霖 稽核：劉航