JGG | 作物所叶兴国团队通过编辑小麦TaQ基因解析小麦穗型形成的分子机制

在小麦进化过程中，TaQ基因是小麦穗部形态驯化的关键基因，该基因编码AP2家族的一个转录因子，调控株高、穗型、脱粒性、穗轴韧性和颖壳的硬度等。在普通小麦中Q基因存在3个等位基因，分别位于5A、5B和5D染色体的长臂上，其中，TaAQ是调控小麦穗部形态的一个关键基因，TaBq作为一个假基因和TaDq分别直接或间接参与调控小麦的驯化过程。近日，中国农业科学院作物科学研究所叶兴国实验室在Journal of Genetics and Genomics期刊上online发表了题为《CRISPR/Cas9 editing of wheat TaQ genes alters spike morphogenesis and grain threshability》的研究论文，首次报道了利用CRISPR/Cas9技术编辑TaQ基因解析小麦穗型形成和脱粒性分子机制的研究结果，为深入分析TaAQ和TaDq基因调控小麦穗部形态和花序结构发育的分子机制奠定了基础。

研究团队分别以小麦冬性品种济麦22和春性品种Fielder为受体，对位于小麦5A和5D染色体上的TaAQ及TaDq基因进行编辑。通过对获得的T0代转基因植株进行PCR-RE分子检测和测序分析，发现2个小麦品种中TaQ基因的编辑效率分别为45.6%和44.0%。来自济麦22和Fielder的T0代TaQ基因编辑植株穗型均类似于拟拟斯贝尔脱小麦，不仅穗子和穗节间的长度明显变长，颖壳与穗轴之间的夹角也显著变小，外稃的芒长变短，而且每个小穗中也多出了2个类似于外稃器官的组织，还表现出籽粒不易脱粒的特性（图1）。对源自Fielder的3类T1代纯合突变株系（TaAQ基因位点编辑、TaDq基因位点编辑和TaAQ及TaDq基因位点同时编辑）进行的表型分析发现，在不考虑TaBq基因的情况下，TaAQ基因位点编辑的植株与TaAQ和TaDq基因同时发生编辑的植株其穗型均类似于拟斯贝尔脱小麦；而TaDq基因发生编辑的植株与野生型Fielder相比除了株高降低外，其它性状无明显差异。另外，根据对TaQ基因发生编辑植株中A-class、B-class、C-class、E-class和TaTPL基因的表达模式，结合前人的研究结果，绘制了一个AP2家族基因调控小麦穗部形态和花器官发育的网络结构图（图2），推测VRN1、FUL2、SEP2、SEP5和SEP6基因可能通过调控TaQ基因的表达影响小麦的穗部形态。

图1 小麦TaQ基因编辑植株穗部形态

图2 AP2家族基因对小麦株高、穗部形态和花器官建构的调控网络

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1673852720301454

来源：植物生物技术Pbj

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