原创解读-NP-通过在小麦籽粒发育早期过表达α-expansin 可克服粒重和粒数间矛盾以提高产量潜...
2020年10月30日，智利南方大学Daniel F. Calderini等人在New Phytologist杂志发表了题为“Overcoming the trade-off between grain weight and number in wheat by the ectopic expression of expansin in developing seeds leads to increased yield potential”的研究论文，通过在发育早期（花后10-20天）的小麦籽粒中过表达α-expansin蛋白基因TaExpA6显著提高了粒长粒重，而不影响籽粒数目，进而导致田间产量提高，证明了利用转基因手段通过克服粒重和粒数间矛盾以提高作物产量潜力的可能性。
一、背景
小麦产量三要素包括单位面积穗数、穗粒数和千粒重。很多研究证明单独提高穗粒数或粒重往往并不能提高最终产量，这是由于粒数和粒重之间存在负相关，这也成为提高小麦产量潜力的重要瓶颈。通过提高小麦籽粒发育时的总光合产量并不能打破粒数和粒重之间的矛盾，粒数粒重间负相关的原因不是源的限制。如图1所示，灌浆前的子房发育和小花形成时期可能是同时影响粒数和粒重形成的关键阶段，而包括水分吸收和干物质积累的籽粒灌浆期只决定粒重形成。因此，参照特定的时空表达模式在籽粒有效灌浆期进行遗传操纵可能会提高小麦产量潜力。
在植物中，细胞的伸长受到细胞壁的约束，细胞壁的延展性是通过细胞壁蛋白expansin产生的应力松弛控制的。expansin蛋白可以通过破坏细胞壁中纤维素和基质多糖间的非共价结合，进而使细胞壁聚合物发生移动产生不同的应力松弛，最终控制细胞壁的延展性。根据同源性和活性的不同，expansin被分为α-expansin和β-expansin，其中α-expansin被证明对细胞的生长发育影响更大。
图1 小麦籽粒发育过程
二、结果
1. 利用PinB基因启动子在籽粒中过表达TaExpA6
根据小麦表达数据库，α-expansin蛋白基因TaExpA6主要在小麦根部表达。将其CDS区连接PinB基因启动子（PinB基因是控制小麦籽粒硬度的关键基因，在籽粒胚乳中特异性表达，编码一种富含色氨酸的puroindoline蛋白，其缺失会造成小麦胚乳质地变硬）后转化Fielder，RT-qPCR表明TaExpA6只在转基因系籽粒胚乳、糊粉层和种皮中表达，而不在胚和其它植株部位表达。将转基因T3代24个系和Fielder对照以低密度（44 m-2）种植在大田中，进一步根据表达量和拷贝数筛选出T4代4个纯合系，和Fielder对照以当地正常种植密度（300 m-2）完全随机区组种植于相同地点，田间处理方面均采用最优的管理措施以保证高产条件。
2. 转基因材料TaExpA6基因表达量和蛋白丰度分析
对T4代转基因系TaExpA6基因花后不同时期表达分析表明，花后5天TaExpA6不表达，10-20天表达量最高，而Fielder对照均不表达（图2）。转基因系Line 3和Line 4在花后15天表达量相对最高。同时，LC-MS蛋白分析结果与qPCR一致，Line 3和Line 4也具有最高的TaExpA6蛋白丰度（图3）。
图2 正常密度种植下转基因系花后不同时期TaExpA6表达量
图3 正常密度种植下转基因系花后15天TaExpA6（a）表达量和（b）蛋白丰度
3. TaExpA6过表达增加了小麦单籽粒大小和粒重
根据每个小穗中部有4个籽粒和其与小穗轴的距离大小，由近到远将单个籽粒分别命名为G1-G4，G1和G2籽粒一般最大。在低种植密度和正常种植密度下，与对照相比转基因系Line 4的G1-G4粒重均显著提高，且G4的增加水平远远大于G1-G3（图4）。进一步分析粒长、粒宽和粒面积表明，粒重的提高主要是由于粒长提高进而导致粒面积增加。
图4 低种植密度（a）和正常种植密度（b）下转基因系单个籽粒粒重
4. TaExpA6过表达增加了小麦千粒重和总产量
在低种植密度和正常种植密度下与对照相比，具有最高转录水平和蛋白丰度的转基因系Line 4千粒重和产量均显著提高，产量提高水平可达到11.3%（表1）。同时，其穗粒数无显著变化，穗粒数和千粒重的负相关被打破（图5）。此外，在生育时期和株高方面，转基因系与对照均相似。
表1 正常种植密度下转基因系的千粒重、穗粒数和产量
图5 粒重和粒数间关系，红点表示转基因系Line 4
三、结论
1. 很多研究报道了粒重和粒数之间的负相关且这种关系很难被打破，本研究证明了利用转基因手段，通过在籽粒发育早期特异性表达α-expansin蛋白可增加粒长粒重而不影响粒数，最终显著提高产量。
2. 利用PinB基因启动子特异性表达α-expansin蛋白在提高小麦粒重和产量的同时，不会对植株的生长发育产生负面影响。
3. 籽粒灌浆前的一段时期是同时影响粒数和粒重形成的关键阶段，这个阶段可能导致了两者的负相关关系，通过在有效灌浆期操纵基因的特异性表达可能会达到打破粒重和粒数间矛盾的效果。