小麥（Triticum aestivum L.）是重要的糧食作物之一，隨着世界人口增多、耕地面積減少以及氣候變化，提升小麥產量是育種的重要目標。小麥穗主要由附着於穗軸兩側交替互生的小穗構成。小穗進一步分化成數目不定的小花，其中3-5朵小花能最終形成籽粒。因此，小麥穗型的發育與籽粒產量密切相關。挖掘小麥穗型發育的關鍵調控基因，解析其作用的分子網絡，對於通過分子設計優化穗型，提高小麥產量潛力具有重要的理論意義與應用價值。
穗發育突變體是探究小麥穗型調控機制的優異材料。超數小穗（supernumerary spikelets）是一種在一個穗節點着生額外小穗的穗型變異，主要包括四種類型，分別為分枝穗、多棱穗、平行小穗及復生小穗（Paired spikelet，PS）。該研究在自育小麥品種科成麥1號（K1）的EMS誘變群體中發現了一個具有復生小穗表型的突變體，其特點為在一個穗節處着生兩個小穗，命名為wps1（wheat paired spikelets 1）。表型鑑定結果顯示，該突變體的可育小穗數和穗粒數均顯著高於野生型。研究通過幼穗觀察發現，wps1次小穗的發育晚於主小穗，花序分生組織的活性可能發生變化。
遺傳分析表明，wps1中復生小穗表型受到一個顯性核基因控制，命名為WPS1（WHEAT PAIRED SPIKELET 1）。研究利用BSR分析法，結合分子標記技術構建遺傳連鎖圖譜和物理圖譜，將WPS1定位在1D染色體208.18~220.92Mb之間。該位點附近尚無穗發育相關基因報道，是一個新的基因位點。研究利用「中國春」參考基因組序列及重測序數據和轉錄組測序數據，對該區間內的基因變異及表達水平進行分析，最終鎖定一個候選基因TraesCS1D02G155200。在wps1中，該基因發生一個非同義突變，且表達量顯著升高。TraesCS1D02G155200編碼一個HD-ZIP Ⅲ家族的轉錄因子，與擬南芥REV和水稻OsHB2同源，具有一段與miRNA165/166結合的序列。wps1中該基因的變異恰好處於與miRNA165/166結合的區域內。因此，研究推測，wps1中該位點突變，阻礙了miRNA165/166與TraesCS1D02G155200轉錄本的結合和降解，導致表達量提高，進而產生復生小穗表型。
為初步解析wps1中復生小穗形成的轉錄調控網絡，研究對K1和wps1的幼穗轉錄組數據進行挖掘，結果發現生長素合成、穩態維持和信號轉導相關的基因在wps1中表達量顯著上調，暗示復生小穗表型的發生可能受到生長素信號的調控。以往研究報道了Ppd-1（Photoperiod-1）、TB1（Teosinte Branched 1）能夠通過調控開花基因FT（FLOWERING LOCUS T）進而影響下游基因VRN1（VERNALIZATION 1）的表達，從而影響開花和復生小穗表型的發生。擬南芥中的節律基因LHY（LATE ELONGATED HYPOCOTYL）能夠通過調控FT1的表達影響開花。轉錄組數據表明，在突變體中，Ppd-1、FT1、VRN1及LHY的表達量下調，TB1表達量上調，這與前人報道一致，表明上述基因或共同參與wps1中復生小穗的形成。
本研究鑑定到一個新的控制小麥穗發育的基因位點及其候選基因，為後續基因克隆、功能驗證及分子機制研究奠定了基礎。近日，相關研究成果以Genetic and transcriptomic dissection of an artificially induced paired spikelets mutant of wheat (Triticum aestivum L.)為題，在線發表在Theoretical and Applied Genetics上。研究工作得到四川省重點研發計劃、四川省作物育種攻關項目和國家重點研發計劃的支持。
圖1.wps1與K1的穗形態比較
圖2.wps1的遺傳解析
圖3.候選基因分析
圖4.生長素相關基因表達水平比較
來源：中國科學院成都生物研究所
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