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科研人員發現小麥小花育性的遺傳基因
發布時間:2019-03-18  【字體: 】 【來源:農科智庫】 【打印本頁】 【關閉窗口】 閱覽:23次

高產量無疑是谷物的一個理想性狀。小花育性是決定普通小麥或大麥等谷物每一花序籽粒數的關鍵因素。但是,至今人們仍然對其遺傳基礎還知之甚少。一組來自日本、德國、以色列的研究人員正在調查小麥的小花生育能力,他們研究發現籽粒數基因座GNI1,是小花生育能力的重要貢獻者。

雖然后續的GNI-A1基因本身會導致谷物產量下降,研究人員仍然證明了該基因的突變體,即功能減弱的GNI-A1的等位基因能夠增加小花可育性的數量以及籽粒總數。正是由于這一正面作用,研究人員一直在小麥馴化過程中篩選突變的等位基因。

龐大的小麥家族中包括了普通小麥和大麥等多種重要的谷類作物。在馴化精選小麥品種的過程中,一個主要成果就是由于作物的小花生育能力的提升,現代栽培品種的每一個花序籽粒數會隨之增加。

所有的小麥作物都會生成不分支花序,即穗狀花序。小麥的穗狀花序由多個小穗組成,每一個小穗都會長出數量不確定的小花來生成籽粒。在花器官發育階段即“白色花藥”時期,每一株小麥的小穗一般都會長出多達12個可能孕育小花的花原基。但是,70%以上的小花會在發育階段終止。雖然科學家已知每株小穗的籽粒數由每棵小花的育性決定,但是小花育性的遺傳基礎直到最近仍然沒有得到廣泛確認。如今,一支國際研究小組開始進行合作,嘗試揭秘小麥小花育性的遺傳基礎,該研究小組包括了多名來自德國植物遺傳和作物研究所的科學家。

研究人員重點研究了能夠增加每株小穗籽粒數的數量性狀基因座(QTL),該基因座之前是由歐洲冬小麥的全基因組關聯分析確定的。他們能夠在染色體臂2AL上繪制出QTL基因圖譜,并鑒定出小麥通過基因復制進化而來的GNI-A1基因。

科學家們證明,最終形成的GNI-A1基因編碼一種同源域亮氨酸拉鏈I類(HD-Zip I)轉錄因子。轉錄因子的表達則抑制了小麥穗軸小花的生長和發育,從而對小花的育性和產量產生了負面影響。

在馴化過程中,GNI1基因表達的減少能夠增加更多的可育小花以及每株小穗籽粒的數量。但是,通過后來又對高產的普通小麥栽培品種的分析,研究人員發現了一個功能降低的GNI-A1基因等位基因。這種突變等位基因在小花育性較高的現代小麥中被發現,這意味著它提高了小花育性,并且在進一步的小麥馴化過程中,對攜帶功能降低等位基因的小麥品種進行了選擇。這項研究首次表明,小花育性的提高、每穗粒數的增加和田間種植的小麥產量的提高之間存在直接聯系。

作為國際合作的進一步結果,GNI-A1被證明是大麥VRS1基因的一個同源物,它控制著小花的側生能力,并導致小花發育受到抑制。與GNI-A1的功能等位基因相似,VRS1功能突變體的缺失導致了籽粒產量的增加。研究者先前也對闡明大麥VRS1的分子基礎作出了貢獻,現在發現了GNI1在小麥中的實際作用。GNI1/VRS1的出現和突變等位基因的平行選擇似乎符合遺傳熱點假說,這意味著進化相關的突變傾向于聚集在特定基因和基因內的特定位置。

對小花育性遺傳基礎的認識,為進一步研究小麥的植株結構和提高產量提供了新的選擇。這一認識可能有助于找到與此方向一致的相關基因,從而進一步改良谷物育種,以滿足生產生活需求。


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