Selection of dysfunctional alleles of bHLH1 and MYB1 genes produces white grain in the tribe Triticeae：揭示小麦族粒色演化机制及分子育种新方向

在小麦族作物中，籽粒颜色是重要农艺性状，但其演化的选择和分子基础不明。研究人员开展了关于小麦族粒色演化机制的研究，发现 bHLH 和 MYB 基因功能缺失突变产生白粒，且白粒在演化中受自然 / 人工选择。该研究为小麦分子育种提供了理论依据1217。

　　在人类饮食历史长河中，小麦、大麦等小麦族（Triticeae）作物一直占据着重要地位，是全球范围内不可或缺的主食来源。如今，现代小麦为人类提供了约 20% 的热量和 30% 的主要食物来源。然而，尽管这些作物如此重要，人们对小麦族农艺性状演化的选择及分子基础却知之甚少。

籽粒颜色作为小麦族作物的一个关键农艺性状，不仅影响着粮食的外观，还与食品质量密切相关。例如，彩色籽粒含有花青素（anthocyanin），具有清除自由基、抗癌、预防心血管疾病等诸多健康益处。在大多数作物中，种子颜色主要为白色或黄色，但小麦族中存在蓝色籽粒的品种。而且，蓝色籽粒在作物育种和基因定位中也有着重要作用。尽管如此，小麦族粒色的演化历史和分子基础却一直是个谜。此外，在作物杂交种子生产技术（SPT）中，需要合适的种子颜色标记基因，而目前在小麦中还缺乏有效的标记基因。因此，为了解开这些谜团，推动小麦族作物的育种发展，首都师范大学生命科学学院等机构的研究人员开展了深入研究。

研究人员通过构建小麦族代表性物种的系统发育树，发现蓝色籽粒是小麦族祖先的性状，而白色籽粒是衍生性状，由 bHLH₁和 / 或 MYB₁基因功能丧失导致。在面包小麦 - 长穗偃麦草（Thinopyrum ponticum）异附加系中，研究人员克隆出了负责蓝色籽粒性状的基因 ThbHLH₁和 ThMYBs。进一步研究发现，ThbHLH₁和 ThMYBs 相互作用形成复合物，触发花青素的合成。通过对面包小麦及其祖先基因组的分析，研究人员发现 bHLH 和 MYB 在面包小麦及其祖先中因突变而功能丧失。在大多数小麦族物种中，bHLH₁和 MYB₁同源基因也因缺失、插入和非同义点突变而功能失调，这使得白色籽粒成为主要性状。研究还表明，粒色在大麦和面包小麦中是选择的目标，白色籽粒在压力条件下具有更高的种子活力。此外，研究人员利用 bHLH-MYB 介导的蓝色籽粒性状，通过理性设计培育出了彩色面包小麦，并将其应用于杂交种子生产技术中，取得了良好的效果。

该研究成果发表在《Plant Communications》上，揭示了小麦族白色籽粒性状的产生及演化机制，为小麦分子育种提供了重要的理论基础和技术支持，有望推动小麦育种的发展，提高小麦的品质和产量。

研究人员在开展此项研究时，运用了多种关键技术方法。在实验材料选取上，使用了面包小麦及其他多种小麦族物种。通过基因组原位杂交（GISH）技术确定染色体组成；利用 RNA 测序（RNA-seq）分析差异表达基因；采用瞬时基因表达分析检测基因功能；借助酵母双杂交、荧光共振能量转移（FRET）和免疫共沉淀（Co-IP）等技术研究蛋白相互作用；还通过种子萌发实验对比不同颜色籽粒的种子活力181920。

下面来看具体的研究结果：

1. 蓝色籽粒性状存在于小麦族古老谱系中：通过观察小麦族物种的籽粒颜色，并构建基于叶绿体基因组序列的系统发育树，发现蓝色籽粒存在于大麦（Hordeum）、偃麦草（Thinopyrum）和黑麦（Secale）等家族的部分物种中，而在山羊草（Aegilops）和小麦（Triticum）家族中很少见或不存在。这表明蓝色籽粒是小麦族祖先的性状，白色籽粒可能是从具有蓝色籽粒的祖先演化而来34。
2. ThbHLH₁和 ThMYBs 是面包小麦 - 长穗偃麦草异附加系蓝色籽粒的负责基因：在研究面包小麦与长穗偃麦草杂交产生的异附加系时，发现其蓝色籽粒性状与长穗偃麦草的 4Ag 染色体长臂有关。通过 RNA 测序和基因功能验证实验，确定 ThbHLH₁和 ThMYBs 是负责蓝色籽粒性状的基因。这些基因能激活花青素合成途径中相关酶基因的表达，从而使籽粒呈现蓝色56。
3. ThbHLH₁和 ThMYBs 相互作用形成触发花青素合成的复合物：研究人员通过酵母双杂交、亚细胞定位、FRET 和 Co-IP 等实验，证实 ThbHLH₁和 ThMYBs 能相互作用形成复合物。其中，ThbHLH₂因突变导致功能失调，而 ThbHLH₁和 ThMYBs 的相互作用对于蓝色籽粒性状的形成至关重要78。
4. bHLH 和 MYB 在面包小麦及其祖先中因突变而功能丧失：通过 Southern blotting 和基因组分析，研究人员发现面包小麦及其祖先中 bHLH 和 MYB 基因存在拷贝数变化、插入和非同义点突变等情况，这些突变导致 TaMYB₁和 TabHLH₁功能失调，无法诱导花青素合成相关酶基因的表达和花青素的生物合成910。
5. bHLH 和 MYB 在大多数小麦族物种中功能失调：对 13 个小麦族物种的基因组分析发现，多数物种的 bHLH₁和 MYB₁同源基因存在缺失、插入和突变。对 856 个小麦族物种的研究也表明，白色籽粒是主要性状，蓝色籽粒少见，这是由于 bHLH₁和 MYB₁同源基因功能失调所致1112。
6. 粒色是大麦和面包小麦选择的目标：对大麦品种的分析发现，粒色性状在大麦演化过程中经历了选择，HvbHLH₁和 HvMYB₁是选择的目标。实验表明，白色籽粒在压力条件下种子活力更高，这使得白色籽粒在自然 / 人工选择中更具优势1314。
7. bHLH-MYB 介导的蓝色籽粒性状用于小麦分子育种的理性设计：研究人员通过在面包小麦中表达 ThbHLH₁和 ThMYB₁，成功获得了紫色胚乳的面包小麦。同时，bHLH-MYB 介导的蓝色籽粒性状在杂交种子生产技术中表现出较高的分选效率，可作为有效的种子分选标记1516。

研究结论表明，白色籽粒是小麦族中通过自然突变和自然 / 人工选择产生并成为主导性状的，而蓝色籽粒这一古老性状可在现代分子育种技术中重新获得和利用。在讨论部分，研究人员指出，虽然白色籽粒在某些环境条件下因具有更高的种子活力而被选择，但蓝色籽粒在特定条件下可能也存在其他优势或劣势。此外，小麦族粒色演化在不同物种中存在差异，除了 bHLH₁和 MYB₁基因的突变，下游靶基因的突变也可能影响粒色。这些发现为深入理解小麦族粒色演化机制提供了重要线索，也为小麦分子育种开辟了新的方向，有助于培育出更优质、更适应环境的小麦品种，对保障粮食安全和提高农业生产效益具有重要意义。