小麦每穗粒数相关基因qKnps-2A的精细定位与候选基因分析

《BMC Plant Biology》：Fine mapping and candidate gene analysis of qKnps-2A for kernel number per spike in wheat

　　

摘要

背景

每穗粒数是决定小麦产量的关键因素。先前的研究通过利用半冬性小麦品种Kenong 9204与冬性小麦品种Jing 411杂交得到的重组自交系群体，确定qKnps-2A是2A染色体上控制每穗粒数的重要稳定QTL。不过，该基因座的精细定位和基因克隆尚未有相关报道。

研究结果

利用基于亲本基因组数据开发的InDel标记，从残余杂合系衍生的分离群体中找到了近等基因系对以及11个关键重组体，从而将qKnps-2A定位在5.13 Mb的区间内（616.30–621.43 Mb），该区间内含有50个高可信度基因。通过整合转录组测序、不同组织及发育阶段的表达分析、序列比较以及单倍型分析，确定编码锌指蛋白的是最可能的候选基因。近等基因系分析表明，Kenong 9204等位基因显著增加了每穗小穗数（2.94%）、每穗小花数（10.51%）以及每穗粒数（14.37%），从而使产量提升了7.32%，同时改善了谷物品质。植物激素分析显示，在小麦穗部早期发育阶段，Kenong 9204等位基因会提升IAA水平及IAA/ABA比率，而在后期则降低ABA水平，这些变化可能与提高结实率相关的生理变化有关。对314个全球不同品系的单倍型分析显示，Hap-KN9204与每穗粒数增加、谷物紧实度提升、结实率提高以及谷物宽度增大密切相关。这种优良单倍型在亚洲、欧洲和北美较为常见，这表明在中国小麦育种过程中存在正选择作用，其在地方品种中的占比为30.00%，而在现代品种中则上升到了59.62%。

结论

本研究对qKnps-2A进行了精细定位，并确定是最可能的候选基因，该基因与穗部发育过程中的植物激素谱变化有关，这些变化可能有助于提高产量。优良的Hap-KN9204单倍型似乎在中国小麦育种中受到了正选择的作用，因此qKnps-2A有望成为提高小麦产量的重要靶标。