作为全球最重要的粮食作物之一,小麦满足了人类20%的卡路里和蛋白质需求,为全球超过三分之一的人口提供能量来源。受极端天气条件和国际局势影响,今年几个主要出口国纷纷减产。联合国粮农组织数据显示,今年小麦出口价格上涨了46%,全球食品价格已经涨至10年来最高点,明年小麦价格将继续飙升并加剧全球食品通胀,提高小麦产量是直接关系到世界粮食安全的重大问题。小麦产量受三个主要因素的影响:单位面积穗数、粒重和每穗籽粒数,其中单位面积穗数受分蘖数影响,每穗籽粒数由小穗数(SNS)和小穗籽粒数决定。
2022年4月8日,Science杂志在线发表了来自俄克拉荷马州立大学小麦分子遗传实验室Liuling Yan教授和Brett F. Carver教授为通讯题为“TaCol-B5 modifies spike architecture and enhances grain yield in wheat”的研究论文。该研究克隆了一个CONSTANS-like家族基因,TaCOL-B5,该基因对小穗数、分蘖数以及单株产量等性状都有明显的调控作用,田间测产显示该基因对小麦增产有极显著的促进作用。
该实验室在前期研究中通过CItr 17600 和扬麦18两个品种的杂交构建了一个F2代群体,并使用图位克隆的方法在染色体Chr7B上鉴定到一个主效QTL(QSns.osu-7B),能够解释群体中43%的SNS表型分离(图1A)。为了克隆该基因,该实验室从1857个F5代植株中筛选到了4个关键的重组体植株,并根据其子代的SNS 分离情况,将候选基因限制在两个分子标记(SNS-M1 和 SNS-G2M3)之间,约为318,786 bp的区域。在该区域存在两个候选基因：TraesCS7B02G400600和 TraesCS7B02G400700(图1B)。
通过序列分析发现,TraesCS7B02G400700基因编码区以及其可能的启动子区在两亲本间不存在序列差异；然而TraesCS7B02G400600基因编码区在两亲本间存在多个SNP位点,推测该基因参与调控SNS性状的可能性较大。由于TraesCS7B02G400600编码了一个CONSTANS-like蛋白,与植物中的COL5基因同源,因此命名为TaCOL-B5。为验证其功能,该实验室通过转基因技术过表达其显性等位基因TaCol-B5后获得4个独立的转基因植株,然后在温室和田间条件下对子代的转基因株系进行种植并发现该基因的过表达能够增加小穗数和穗长,对小麦籽粒产量有显著促进作用(图1C)。
图1 A调控小穗发育的主效QTL QSns.osu-7B定位于小麦Chr7B染色体上；B通过分子标记筛选,得到4个关键重组体植株(F5代)；C-F P11-58、P19-236、P11-63和P19-1121的F6代重组体株系中小穗数(SNS)表型分离。
为验证这一发现,该实验室在田间条件下对转基因株系进行了连续两年的种植,对产量性状相关表型进行验证(图2)。结果显示,扬麦18的4个TaCol-B5过表达株系比非转基因扬麦18产量平均增长了11.9%,增产效果最为显著的一个株系产量提高19.8%。在以往克隆的小麦产量性状相关基因中,尚没有哪个单基因对穗部发育和籽粒产量具有如此显著的作用效果。
图2 (A)温室条件下非转基因植株与TaCol-B5过表达株系间存在明显的表型差异,过表达株系和对照植株在SNS表型(B)和每穗粒数(C)均有显著差异；D 田间条件下T2代TaCol-B5过表达株系与非转基因植株间存在明显的表型差异,过表达株系和对照植株在SNS(E)、穗长(F)、每穗粒数(G)和每株穗数(H)上均存在显著差异；I-J田间条件下T3代TaCol-B5过表达株系与非转基因植株间存在的表型差异仍然非常明显。
该实验室进一步发现,TaCol-B5受到丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶TaK4的磷酸化而激活,TaCol-B5的Ser269为TaK4作用的磷酸化位点(图3),这是首次发现TaK4磷酸激酶能够调节穗部发育和产量性状。该实验室又通过基因编辑对Tacol-B5功能域进行碱基敲除,在两株编辑成功植株Tacol-B5-ED1和Tacol-B5-ED12的CCT功能域中分别引入1个碱基和7个碱基缺失突变。在温室条件下,Tacol-B5-ED1和Tacol-B5-ED12的T1代碱基敲除株系与对照相比,表现出了开花期延迟和株高减少的特性,该表型进一步验证了TaCol-B5的功能。
图3A酵母双杂实验证明显性等位基因编码蛋白TaCol-B5与TaK4存在互作；B TaCol-B5和Tacol-B5氨基酸序列存在三个氨基酸位点的差异,标红部分为有可能被磷酸化的位点；C 磷酸化实验证明TaCol-B5能够被TaK4磷酸化。
TaCol-B5是通过自然突变产生的显性等位基因,该等位基因在目前世界范围内种植的普通小麦品种中出现频率非常低,这也是该基因很难被发现的原因之一。该基因的发现对于深入了解小麦产量性状基因的作用机制具有里程碑式的意义,使我们对小麦增产机制有了更深入的理解。
图4 通过基因编辑对Tacol-B5进行碱基敲除,在两株编辑成功植株中分别引入1个碱基和7个碱基缺失突变(A和B)；与对照相比,两个碱基缺失株系在开花期(C和D)和株高(E和F)上差异显著；不同CCT蛋白家族结构比较(G和H)