事關(guān)全球糧食安全 科學家發(fā)現(xiàn)提高小麥產(chǎn)量的關(guān)鍵基因

小麥是全球分布最為廣泛的糧食作物，世界上有超過40%的人口以小麥為主食。提高小麥產(chǎn)量，事關(guān)全球糧食安全。

4月10日，科技日報記者從南京農(nóng)業(yè)大學獲悉，該校農(nóng)學院應(yīng)用植物基因組團隊賈海燕教授與美國俄克拉荷馬州立大學、中國農(nóng)業(yè)科學院等機構(gòu)合作，發(fā)現(xiàn)并克隆了一個提高小麥籽粒產(chǎn)量的關(guān)鍵基因TaCol-B5，他們同時揭示了該基因產(chǎn)生的蛋白與磷酸化激酶的相互作用，為蛋白質(zhì)磷酸化可能參與小麥穗形成和籽粒產(chǎn)量提供了示范。該成果近日發(fā)表于國際學術(shù)期刊《科學》，其配發(fā)的評論文章認為，“TaCol-B5的發(fā)現(xiàn)是提高谷物產(chǎn)量的一個里程碑，因為它提高了我們對控制株型和產(chǎn)量的分子機制的理解”，“該論文對TaCol-B5的鑒定為挖掘小麥產(chǎn)量潛力提供了一條新途徑”。

據(jù)介紹，普通小麥的籽粒產(chǎn)量受三個主要因素影響：單位面積的穗數(shù)、每穗粒數(shù)和粒重。穗數(shù)可以通過促進分蘗而增加，每穗粒數(shù)分為小穗數(shù)和每小穗粒數(shù)兩個亞組分，增加小穗數(shù)是提高粒數(shù)但不降低粒重的有效途徑。

“上世紀60年代，以降低農(nóng)作物株高、半矮化育種為特征的第一次‘綠色革命’，使得全世界水稻和小麥產(chǎn)量翻了一番，解決了溫飽問題。近年來，雖然小麥新品種迭出，籽粒產(chǎn)量不斷提高，但增速相對緩慢。”論文共同第一作者賈海燕告訴科技日報記者。

如何找到基因提高小麥產(chǎn)量，激發(fā)著學者們的研究興趣。“最初，我們發(fā)現(xiàn)小麥‘CItr17600’的粒數(shù)較多，就想把控制這一表型的基因克隆出來，但這需要先‘鎖定’對應(yīng)的基因組區(qū)域，然后再驗證候選基因是否決定了它的高產(chǎn)。”2018年賈海燕在美國俄克拉荷馬州立大學做訪問學者時，便與研究者們?nèi)ヌ镩g調(diào)查小麥小穗節(jié)數(shù)和穗粒數(shù)，然后再回實驗室做分析。

研究人員先利用CItr17600和揚麥18的F2:3家系，將一個控制每穗小穗節(jié)數(shù)的主效數(shù)量性狀基因定位在7B染色體上，接著通過重組體表型和基因型分析和雙親序列比對，確定TaCol-B5為候選基因。

隨后，他們從CItr17600中克隆了TaCol-B5的cDNA，將其轉(zhuǎn)化到揚麥18中，表型分析發(fā)現(xiàn)在轉(zhuǎn)基因的不同后代都顯著提高了穗數(shù)、每穗小穗節(jié)數(shù)及其粒數(shù)，從而證實TaCol-B5為提高產(chǎn)量的關(guān)鍵基因。

TaCol-B5基因為何能提高籽粒產(chǎn)量?“我們在對比單倍型基因產(chǎn)物序列時發(fā)現(xiàn)，高產(chǎn)TaCol-B5與低產(chǎn)TaCol-B5蛋白之間有3個氨基酸存在差異，于是設(shè)想這三個不同的氨基酸，是否影響與其他蛋白的相互作用，繼而影響了籽粒產(chǎn)量。”賈海燕介紹。

經(jīng)實驗，研究者發(fā)現(xiàn)高產(chǎn)單倍型TaCol-B5的第269位的絲氨酸被甘氨酸取代后，影響了該蛋白與磷酸化激酶TaK4的互作。

“研究表明，該氨基酸的替換影響了TaK4對TaCol-B5/TaCol-B5的磷酸化，而在以往的研究中還沒有發(fā)現(xiàn)蛋白磷酸化與作物籽粒產(chǎn)量的關(guān)系。”論文的共同第一作者、中國農(nóng)科院作物所李甜副研究員說。

值得關(guān)注的是，研究人員發(fā)現(xiàn)克隆的高產(chǎn)小麥等位基因TaCol-B5存在古老的四倍體的二粒小麥中，但在全球現(xiàn)代小麥品種中極為罕見。來自全球各地的1657份小麥種質(zhì)，僅有33份小麥種質(zhì)攜帶這一優(yōu)良基因，在檢測的346中國小麥品種中，只有四個品種擁有這一高產(chǎn)基因。

“這可能與小麥矮化育種有關(guān)，因為現(xiàn)代的理想株型普遍較矮，TaCol-B5在選擇育種過程中丟失了。利用這一基因雖然增加了株高，但可以實現(xiàn)產(chǎn)量的突破。”賈海燕分析。