种子萌发基因的层级效应赋予小麦抗收获前发芽的能力

《Crop Science》：The pyramiding effect of seed germination genes confers resistance to preharvest sprouting in wheat

小麦预收获发芽（PHS）抑制技术研究：通过筛选35个发芽相关基因，分析16个公共小麦基因组定位功能SNP和InDel，开发15个KASP分子标记，证实核心单倍型组合（如TaOCO1_D_121/TaPHS1_3A_222）可使发芽率从F4的50%以下降至F6的20%以下，并验证了多基因协同增效机制。

　　

摘要

收获前发芽（Preharvest Sprouting, PHS）是指小麦（Triticum aestivum）在收获前成熟籽粒在母株上开始发芽的现象，这会负面影响小麦的产量以及烘焙或酿造品质。PHS抗性是一种复杂的数量性状，受多种基因的影响。尽管通过基因叠加技术有效提高了抗性，但多种基因的综合效应尚未得到系统分析。我们通过同源性搜索和转录组分析筛选出了35个与发芽相关的基因，随后在16个公开的小麦基因组中寻找功能性单核苷酸多态性（SNPs）及插入/缺失突变。针对69个非同义候选变异设计了竞争性等位基因特异性PCR检测方法，并对113个品种进行了基因分型。此外还验证了4个已知的功能性标记，从而形成了一个包含15个标记的体系。所有检测方法都与发芽率（%G，p < 0.05）显著相关，且有利等位基因具有累加效应：携带10个或更多抗性等位基因的品种发芽率低于20%。核心单倍型TaOCO1_D_121/TaPHS1_3A_222（T:C）表现出极强的稳定性，其F₄代后代的发芽率从低于50%降至F₆代后的低于20%。关键的三基因组合（如< />/TaDFR_B_-282/TaMKK3_A_660（T:C:G）和< />/TaDFR_B_282/TaDOG1_A_740（T:C:C）可使发芽率相对于群体平均水平降低多达80%。通过对两个双亲重组自交系群体（Huaqixiaomai × Yanfeng 168和Huaqixiaomai × Chuanmai 23）中发芽率最低和最高的20个品系进行检测，发现这些标记组合能够在不同遗传背景下识别出低发芽率的品种。这些结果阐明了PHS抗性的遗传机制，并为小麦育种中基因叠加提供了实用的标记工具箱。

通俗语言总结

收获前遭遇大雨会导致小麦籽粒在穗上发芽，从而降低产量和面粉质量。我们对比了113个小麦品种及两个双亲系的DNA，重点研究了控制种子休眠的基因。基于69个DNA差异，我们开发了15种称为竞争性等位基因特异性PCR（KASP）的快速实验室检测方法。所有15个KASP标记都与发芽率显著相关（p < 0.05）。携带10个或更多抗性等位基因的品种在湿纸测试中几乎不会发芽。在双亲系中，携带< />和两个标记的组合的品系，在F₄代时仅有不到一半的种子发芽，在F₆代时仅有五分之一的种子发芽，表明这些抗性基因一旦稳定表达，抗性会更强。通过在每个双亲系中仅检测20个最抗性和20个最易感品系，进一步验证了这5个最有效的标记，证明了这些检测方法在不同遗传背景下均适用。由于这些检测是在幼苗的叶片组织上进行的，育种者可以在田间试验前数月就淘汰易感植株。利用这套标记技术，可以加速培育出即使在潮湿条件下也能保持籽粒质量的小麦品种。

利益冲突声明

作者声明不存在任何利益冲突。