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Molecular Plant│中国农业大学小麦研究中心克隆波兰小麦亚种分类基因P1
2021年5月25日，中国农业大学小麦研究中心在Molecular Plant在线发表了题为“Ectopic Expression of VRT-A2 Underlies the Origin of Triticum polonicum and T. petropavlovskyi with Long Outer Glume and Grain”的研究论文。该研究团队通过图位克隆鉴定了四倍体波兰小麦和六倍体新疆稻麦长颖壳性状控制基因P1，并阐明了其分子作用机制。 波兰小麦（Triticum polonicum）是四倍体裸粒栽培小麦，主要生长在地中海沿岸和埃塞俄比亚，在中国等地也有少量分布。波兰小麦因具有长而柔软的颖壳（长度可达4 cm），在植物分类学上被定义为一个独立的亚种（图1）。新疆稻麦（Triticum petropavlovskyi Udacz. et Migusch），又称稻穗麦，是中国特有的六倍体小麦种之一，生·长于新疆维吾尔自治区东南部和天山南坡海拔900~1200 m的农区。与波兰小麦类似，新疆稻麦也具有长颖壳。前人研究表明，波兰小麦和新疆稻麦的长颖壳性状可能都与位于7A染色体上的P1位点相关，但具体的基因和分子作用机制尚不明确。 该项研究以波兰小麦材料3962（长颖壳）和四倍体小麦品种津硬8号（短颖壳）为亲本构建了F2、F3和F4群体，并将P1基因位点定位于7A染色体短臂约46.971 kb的区间内。根据中国春参考基因组注释信息，该区间内仅包含一个高可信度基因TraesCS7A01G175200（注释为VRT-A2基因，编码MADS-box转录因子）和一个低可信度基因TraesCS7A02G233700LC。基因组重测序数据证实，3962和津硬8号基因组之间仅在VRT-A2基因内含子区存在一段序列多态性差异，具体表现为：与津硬8号（或中国春）基因组相比，波兰小麦来源的VRT-A2第一内含子区域有一段560 bp的序列缺失，并伴随一段157 bp未知序列的插入。进一步分析发现，这一序列变异导致VRT-A2基因在波兰小麦的穗中异位激活。转基因实验表明，穗部异位表达VRT-A2基因可使普通小麦品种Fielder出现长颖壳表型，证实了VRT-A2即为控制波兰小麦长颖壳性状的P1基因（图1）。 图1 波兰小麦长颖壳表型及VRT-A2转基因功能验证 根据VRT-A2第一内含子序列变异开发了分子标记，并对国内外收集的上千份不同倍性小麦材料进行基因型鉴定，发现只有波兰小麦和新疆稻麦中存在这一类型变异，并且变异类型完全相同（图2）。这一结果首次从分子层面证实了新疆稻麦来源于波兰小麦的假设。 图2 不同倍性小麦材料中P1内含子变异基因型分析 VRT-A2内含子区的序列变异（560 bp缺失+157 bp插入）与该基因在波兰小麦穗中的异位表达之间有怎样的分子联系？为回答这一科学问题，作者分别从DNA甲基化和组蛋白甲基化/乙酰化修饰等方面入手，对VRT-A2基因区域的表观遗传修饰水平进行了分析。结果表明，波兰小麦中VRT-A2基因区域的H3K27me3甲基化水平明显降低，而H3Ac乙酰化水平显著升高，这可能是导致VRT-A2在波兰小麦穗中异位激活的一个关键因素。 与此同时，作者对波兰小麦中缺失的560 bp内含子序列以及新产生的157 bp未知序列进行了深入分析，发现560 bp序列是VRT-A2基因转录的关键负调控顺式元件，通过招募TaMFS1等负调控转录因子来抑制VRT-A2基因的转录；而157 bp序列则来源于其侧翼序列的串联重复，并对VRT-A2基因转录起激活作用。这一转录抑制元件的缺失和转录激活元件的插入，共同导致了波兰小麦VRT-A2基因的过量表达和异位激活（图3）。 图3 VRT-A2基因功能分子模型 中国农业大学小麦研究中心博士生刘静为本论文第一作者，倪中福教授和刘杰副教授为共同通讯作者。孙其信教授对该工作进行了关键性指导。彭惠茹教授、辛明明教授、姚颖垠教授、宿振起教授、郭伟龙副教授、胡兆荣副教授与邢界文老师指导了部分工作。该研究得到国家自然科学基金（32072055，31991210和91935304）项目的资助。
发布日期：2021-05-27
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