小麥產量的提升主要依賴于單產的提高。小麥籽粒中近70%為淀粉，淀粉合成可顯著影響小麥千粒重（Thousand kernel weight，TKW）和產量。ADP-葡萄糖轉運蛋白（BT1）介導的底物ADP-葡萄糖（ADP-glucose，ADPG）的跨膜轉運是淀粉合成途徑的重要限速步驟之一。此項研究對TaBT1基因的遺傳效應進行解析，并探究其在小麥育種過程的選擇歷程，為小麥高產育種提供參考。
 

      研究人員首先利用同源克隆的方式獲得TaBT1的三個同源基因，并將其定位于染色體6A、6B和6D上。對其表達方式進行探究，發現TaBT1主要在幼穗和發育的籽粒中表達，且花后10天籽粒中的表達量達到高峰，A基因組相對表達量最高，D組次之，B組最低。利用小麥葉片原生質體對TaBT1蛋白進行亞細胞定位，發現該蛋白定位于質體上。
 

      利用RNAi技術對TaBT1的遺傳效應進行探究，花后10天時，三個小麥代表性陽性株系的表達量較野生型分別下降20.8%、50.3%和69.5%，其中有效分蘗數、小穗數及穗粒數未呈現顯著變化，而籽粒明顯變小（Fig. 1）。另外，轉基因株系的淀粉粒組成發生了明顯改變，淀粉粒排布松散（Fig. 2），總淀粉含量及A、B型淀粉粒的比例也發生了較為明顯的變化（Fig. 3）。三個株系的TKW分別降低15.7%、31.1%和47.3%（P < 0.01）。以上研究表明TaBT1可通過調控小麥淀粉合成通路，顯著影響TKW。

 

Fig. 1. 干擾TaBT1表達導致籽粒變小  

Fig. 2. 干擾株系中籽粒淀粉合成發生異常，A、B型淀粉粒的比例顯著改變

  

Fig. 3. 隨著干擾程度的加重，籽粒中B型淀粉粒的比例明顯增加，總淀粉含量顯著下降
 

      通過對TaBT1進行重測序，發現TaBT1-6A和TaBT1-6D均不存在多態性，TaBT1-6B編碼區及調控區存在24處等位變異，可形成三種單倍型TaBT1-6B-Hap1、TaBT1-6B-Hap2和TaBT1-6B-Hap3。其中，Hap1和Hap2為與高TKW相關聯的優異單倍型。分子標記CAPS-1664和InDel-2029可用于區分三種單倍型（Fig. 4）。

 Fig. 4. 單倍型及其跟蹤標記的開發
 

       隨后，研究人員構建次生材料，利用導入系對單倍型表型進行驗證。結果表明，Hap1型株系平均TKW為50.6 g，顯著高于Hap3型株系（45.3 g）（P < 0.05）；Hap1和Hap2型株系的平均相對表達量最高，分別為Hap3的4.3和2.7倍（P < 0.01）；β-葡萄糖苷酸酶活性分析發現Hap1和Hap2型啟動子的驅動活性最高，分別為Hap2和Hap3的3.1和2.0倍（P < 0.01）（Fig. 5）。表明啟動子區的變異可能引起基因表達的變化，進而造成單倍型之間的千粒重差異，且優異單倍型Hap1和Hap2型具有相對較高的啟動子活性。

Fig. 5. 以GUS為標記的轉基因研究表明單倍型之間的差異主要由啟動子區的變異造成
 

      對TaBT1不同單倍型在育種過程中的選擇進行分析，發現在由我國地方種到育成品種的演化過程中，優異單倍型Hap1和Hap2受到強烈的人工正向選擇，且隨著育種年代的推進，優異單倍型頻率逐漸升高；全球六大小麥主產區中Hap1和Hap2的高頻率分布表明育種過程中對高TKW的選擇是全球性的（Fig. 6）。

Fig. 6. 全球小麥育種中對該基因進行了比較強烈的選擇
 

      最后，研究人員對BT1在多倍化過程中的核苷酸多態性進行分析，發現在多倍化過程中BT1-6B的核苷酸多態性呈顯著下降（πDI/πTE = 7.18, P < 0.05）；BT1-6B從栽培二粒到硬粒小麥的選擇效應（πDM/πDR = 11.9）強于由野生二粒到栽培二粒的馴化效應（πDI/πDM = 1.3）。另外六倍體核苷酸多態性的變化表明育種過程也會導致BT1-6B多態性的降低，說明該基因在小麥進化過程中也受到選擇，是小麥馴化選擇的重要基因。
 

      2019年02月07日張學勇研究員團隊在Journal of Experimental Botany雜志在線發表了這一研究成果（doi.org/10.1093/jxb/erz032），題目為“TaBT1 affecting starch synthesis and thousand kernel weight, underwent strong selection during wheat improvement”。中國農業科學院作物科學研究所王雅美博士為第一作者，張學勇研究員為通訊作者。該研究得到了國家重點研發專項計劃（2016YFD0100302）、國家自然科學基金（31471492）、農業部國際合作項目（2016-X16）以及中國農業科學院科技創新工程的資助。
 

      PS: 再次感謝張老師的支持，同時也感謝雅美博士和金棟博士，第一時間將文稿寫好推送過來！祝大家新的一年有新的收獲！