一作解讀｜普通小麥半顯性表皮蠟質突變體w5的表型分析和精細定位

小麥是世界上廣泛種植的禾本科植物、總產量第二的糧食作物。在全球氣候變化的背景下，水資源短缺、農業病蟲害的發生程度都呈加劇趨勢，嚴重威脅著我國的農業生產及糧食安全。植物表皮蠟質覆蓋在植物最外層，是植物與環境之間的第一道防線。因此，研究表皮蠟質相關基因對培育耐逆性小麥具有重要的實用價值。

2020年1月21日，中國農業大學農學院小麥研究中心在Theor Appl Genet上線上發表了題為“The semidominant mutation w5 impairs epicuticular wax deposition in common wheat （Triticum aestivum L。） ”的研究文章，報道了源於野生型濟麥22的表皮蠟質突變體w5的表型分析和精細定位，發現該基因是一個新的蠟質合成位點，進一步的研究將拓寬對小麥表皮蠟沉積遺傳基礎的理解。

1.

表型分析

本研究透過對野生型濟麥22和突變體w5進行直觀的肉眼觀察（圖1a， b），以及利用掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）分別觀察旗葉葉鞘組織表面蠟質晶體沉積（圖1c-f）和葉鞘表皮細胞超微結構（圖1g， h），結果發現突變體w5的無蠟性狀與表面蠟質晶體減少有關。

圖1。 野生型濟麥22和突變體w5的表型對比

2.

蠟質成分和含量分析

為了進一步探究濟麥22和w5之間可見白霜狀蠟質性狀的根本原因，我們選取了開花期的旗葉葉鞘，透過氣相色譜和質譜聯用技術（GC-MS）以及火焰離子化檢測（FID）技術進行含量和組分測定，結果如表1所示。發現濟麥22和w5葉鞘表皮蠟質總含量存在顯著差異，其他蠟質成分（包括烷烴、初級醇、脂肪酸以及未知蠟質組分）的含量在突變體w5均顯著降低，需要特別強調的是突變體w5中未檢測到β-二酮。這個結果說明整株蠟質缺失突變體突變後能顯著降低表皮蠟質含量，且突變體蠟質缺失性狀與β-二酮有無存在密切關係。

表1 野生型濟麥22和突變體w5的葉鞘表皮蠟質組分和含量

Table 1 The wax composition and loads of the leaf sheath of Jimai22 and the w5 mutant

注：總蠟含量（μg/g ± SD，n = 5），每個蠟組分的總量（μg/g ± SD）；UN：未知化合物；***透過t檢驗得出的顯著性水平p ＜0。001

3.

遺傳分析和精細定位

為了探究表皮蠟質缺失性狀的遺傳基礎，我們利用整株表皮有蠟親本京411和突變體w5雜交的F1代及其衍生的F2分離群體為研究材料進行了分析。F1植株表面有白霜狀蠟質層，且相對於兩個親本而言F1植株的蠟質水平介於二者中間，屬於中間型。在304個F2分離群體中，有蠟個體：中間型個體：無蠟個體的比例為87：149：68，經卡方檢驗符合1：2：1的分離比例（χ2=2。49， P> 0。05）。這些結果表明，整株無蠟突變體w5的蠟質缺失性狀受半顯性單基因控制。

為了初步定位W5基因，本研究採用叢集分離分析法（BSA）構建有蠟池和無蠟池，用90K iSelect SNP晶片對兩個極端池進行了基因分型檢測，透過分析SNP結果，初步定位表皮蠟質基因可能位於7DL染色體上。為了精細定位W5基因，我們進一步開發分子標記篩選重組個體，結合基因型和表型資料，最終將W5基因精細定位在標記SSR2和STARP11之間。根據IWGSC RefSeq v。1。0中國春參考基因組，這兩個標記之間的物理位置大約194。4kb，根據註釋這個區間包含3個高置信基因和1個低置信基因（見圖2）。

圖2。 W5的精細定位

早期的遺傳研究表明，異源六倍體小麥的蠟質合成性狀主要由四個基因位點控制，即蠟質合成基因W1和W2和蠟質合成抑制基因Iw1和Iw2，W1和Iw1被定位於2BS上，而W2和Iw2定位於2DS上（Tsunewaki and Ebana 1999）。隨後，在普通小麥的2BS上鑑定了一個蠟質合成位點W3，而在野生二粒小麥的1BS上鑑定了一種獨特的穎殼蠟質合成抑制位點Iw3（Dubcovsky et al。 1997； Wang et al。 2014； Zhang et al。 2015）。除此之外，還在硬粒小麥的1AS上定位了一個蠟質合成位點Ws，在粗山羊草的3DL上定位了新的蠟質合成位點W4（Gadaleta et al。 2009； Nishijima et al。 2018）。此外，透過同源克隆和QTL定位的方法還在小麥的11條染色體上鑑定出一些與蠟的合成和調控有關的基因，包括1B，1DL，2AS，2DS，3AS，4AS，4AL，4BS，4DS，5AS，5AL，5B和7DS。比較分析表明，我們在7DL上鑑定出的W5基因與已知的蠟質合成基因位點W1-W4均不是等位基因，因此，深入研究W5對於闡明表皮蠟質積累的分子基礎具有重要價值。

中國農業大學農學院博士生李玲紅為第一作者，倪中福教授為通訊作者。本課題得到了國家自然科學基金（31991214和91935304）和中國國家重點研究發展計劃（批准號2017YFD0101004）的資助。感謝張明義老師提供突變體材料，感謝上海交通大學的石建新教授實驗室提供GC-FID和GC-MS分析。

參考文獻

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