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《小麦远缘杂交及染色体工程研究取得进展》

  • 来源专题：转基因生物新品种培育
  • 编译者： 雷洁
  • 发布时间：2016-05-09

  • 早在上个世纪80年代，两位著名的小麦遗传学家Moshe Feldman和Ernest R. Sears曾提出“未来的谷物改良寄希望于野生基因资源的利用”。小麦育种的最大瓶颈是缺乏新的、可用的遗传资源。

    利用小麦双端体系统研究着丝粒变异情况，发现4DS的着丝粒完全丢失CRW信号。以CENH3抗体的ChIP-seq分析并结合斑点杂交验证与分析新的基因组序列是否参与新着丝粒的形成，CENH3核小体在大约994kb的基因组序列上重新形成新的功能着丝粒。在其它双端体材料出现不同程度的着丝粒反转座子信号减弱的现象。对条锈病免疫的小麦-中间偃麦草附加系TAI-14及硬粒小麦-长穗草附加系均发现新着丝粒形成，着丝粒错分裂导致原来着丝粒丢失而在染色体臂上的某些部位形成新的着丝粒。外源染色体在小麦背景下可以发生着丝粒扩增及不对称重组而产生稳定遗传的双着丝粒区和三着丝粒区。黑麦的反转座子在小麦背景下发生新的变异，着丝粒特异反转座子激活转移到染色体臂但没有形成新的着丝粒。

  • 原文来源：http://journals.plos.org/plosgenetics/article?id=10.1371/journal.pgen.1005997
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相关报告

  • 《小麦醇溶蛋白染色体位点结构与功能研究以及育种应用价值分析获进展》
    • 来源专题：生物安全知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：hujm
    • 发布时间：2018-06-15
    • 醇溶蛋白及其同源物广泛存在于禾本科植物种子中，是水稻、小麦、玉米等作物籽粒加工与营养品质的一个重要决定因素。在六倍体普通小麦，醇溶蛋白基因以多拷贝方式存在于六个复杂的染色体位点（Gli-A1， B1， D1， A2， B2 & D2），其积累量一般占籽粒总蛋白含量的40-50%，对面筋、面团的功能以及各类终用途品质（如面包加工品质）的优劣有重要影响。传统遗传学研究表明醇溶蛋白可能在平衡面团弹性和延展性中发挥作用，但利用转基因技术降低醇溶蛋白基因表达后，面团功能，尤其是弹性指标，反而会明显提高，表明小麦醇溶蛋白的含量与功能有进一步调控和优化的可能。 2006年以来，中国科学院遗传与发育生物学研究所王道文团队以冬小麦品种小偃81为材料，分别制备了六个醇溶蛋白染色体位点的缺失突变体，为解析其结构与功能奠定了基础。在该研究中，团队对位于6D染色体短臂的Gli-D2位点进行了分析。通过BAC克隆测序和拼接，获得了该位点的421 kb序列，注释出了10个a-醇溶蛋白的编码基因，其中7个结构完整并在发育籽粒中高水平表达。在物理结构和基因组成等方面，小偃81的Gli-D2与中国春小麦以及小麦D基因组供体粗山羊草中的直向同源位点间存在较大差别，表明Gli-D2在普通小麦及其近缘物种中存在丰富的遗传多样性。通过多年多点试验，发现小偃81和Gli-D2缺失系（DLGliD2）在株高、生育期以及籽粒产量等方面没有显着差别，但DLGliD2的面筋、面团、面包加工品质以及籽粒赖氨酸含量显着优于小偃81。转录组学和生化试验表明，DLGliD2籽粒中醇溶蛋白含量降低、谷蛋白和谷蛋白大聚体含量上升、蛋白质二硫键异构酶的表达与活性也明显升高，这是DLGliD2面包加工品质提升的重要原因。利用分子标记辅助选择将Gli-D2的缺失变异转入强筋小麦品种郑麦366，可进一步提高其面筋与面团功能指标以及面包加工品质。因此，该研究为解析栽培小麦Gli-D2位点的结构与功能提供了新信息，创制出了对改良小麦终用途和营养功能品质具有实用价值的新种质。综合该研究以及前人发表的结果，团队建议适当降低醇溶蛋白（或其同源蛋白）的含量是改进小麦以及其它禾本科作物籽粒品质的一个重要途径。 相关论文发表于The Plant Journal (DOI：10.1111/tpj.13956)，博士生李达和靳怀冰为共同第一作者，研究员王道文和副研究员董玲丽为共同通讯作者，美国农业部西部区域研究中心博士霍纳新和顾永强也为研究的顺利完成作出了重要贡献。该研究主要由国家重点研发项目（2016YFD0100500）、国家基金委面上项目（31471483）以及中国科学院战略性先导专项项目（XDA08020302）资助。
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  • 《遗传发育所等在小麦赤霉病研究方面取得进展》
    • 来源专题：转基因生物新品种培育
    • 编译者：姜丽华
    • 发布时间：2023-02-18
    • 小麦赤霉病为全球小麦生产上常发的重要病害之一，由禾谷镰刀菌等多种镰刀菌属真菌侵染开花期的穗子造成，不仅对产量造成严重损失，而且脱氧雪腐镰刀烯醇等真菌毒素的积累还会影响小麦品质及威胁人类健康。目前我国防治小麦赤霉病主要依靠初花期打药来降低赤霉病发病。小麦抗赤霉病新品种选育并持续进行新抗病基因发掘，是最有效的防控途径之一，但长期以来缺少抗性材料和理想的抗病基因资源，目前仅Fhb1基因被较为广泛地应用于育种生产，但其抗病机制并不清晰，而且Fhb1的利用背景依赖性很强，对一些冬性小麦的改良并不理想。因此，发掘小麦抗赤霉病育种的遗传基础尤为重要。   此前，研究人员利用四倍体长穗偃麦草开始了小麦远缘杂交育种工作，以硬粒小麦为母本，四倍体长穗偃麦草为父本进行杂交、回交和连续自交，意外发现育成的六倍体小偃麦具有非常好的赤霉病抗性。鉴定发现二倍体长穗偃麦草同样高抗赤霉病，且近期发表的研究表明四倍体长穗偃麦草是由二倍体长穗偃麦草同源加倍、进化而来的。   为拓宽小麦遗传资源及改良小麦赤霉病抗性，中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员韩方普团队鉴定发现含有二倍体长穗偃麦草（Thinopyrum elongatum）7E染色体的小麦材料具有很好的赤霉病抗性（Fu et al., JGG, 2012）。从2010年开始，团队利用10年时间集中进行二倍体长穗偃麦草端体附加系（CS-7EL）的花粉辐射工作，通过对843个稳定的易位系进行连续多年多点的大田、温室赤霉病接菌鉴定和回交转育，筛选得到了多份兼具赤霉病抗性且农艺性状优良的小麦新品系（Guo et al.,2023 unpublished），其中，易位系中科166（7D染色体小片段易位系）作为中抗赤霉病材料于2022年通过国家审定，易位系中科1878（6D染色体小片段易位系）进入国家小麦良种联合攻关2022-2023年生产试验。   韩方普在加拿大农业部工作期间，鉴定发现含有十倍体长穗偃麦草（Thinopyrum ponticum）7E2染色体的易位系及来自KSU的10份易位系均不抗赤霉病。团队成员们对含有Fhb7基因的小麦-十倍体长穗偃麦草衍生系进行赤霉病抗性鉴定，发现小麦-十倍体长穗偃麦草易位系TNT-B和小麦-十倍体长穗偃麦草部分双二倍体SNTE122均高感赤霉病（Guo et al., Plants，2022）。   从2013年开始，团队系统地进行了分子标记开发、抗病基因区段定位，得到61个7E染色体长臂特异的分子标记，并初步将抗病基因定位到7E染色体长臂末端，发现5个分子标记与抗病区段紧密连锁。   易位系中科1878具有很好的赤霉病抗性，单花滴注接种鉴定达到苏麦3号抗性水平，在济麦22背景下将发病小穗数从13.43将低至1.43，基因组重测续表明小麦6D染色体长臂末端携带100Mb左右的二倍体长穗偃麦草7E染色体末端易位片段（图1a-c）。为筛选来自7E染色体的抗赤霉病基因，团队对中科1878和济麦22接菌96小时后的小穗进行三代转录组测序，最终筛选到25个与小麦差异较大的长穗偃麦草来源的转录本，其中，转录本T26102注释为GST蛋白，在接菌48小时后表达量显著上调（图1d,e），并且与已经发表的GST-Fhb7高度同源。   为进一步研究T26102与赤霉病抗性间的关联，团队发现CS-7EL附加系、中科1878、小麦-十倍体长穗偃麦草易位系4460、4462和小麦-十倍体长穗草部分双二倍体SNTE20均含有T26012的同源序列，且CS-7EL、中科1878、SNTE20中均含有两个不同的拷贝（图1f）。对含T26102同源序列的材料进行接菌鉴定，他们发现4460、4462、SNTE20接菌96小时后表达量均显著上调，却与对照材料济麦22同样表现高感赤霉病（图1g-i），该结果与2022年此前研究中易位系TNT-B和SNTE122的相关结果一致（Guo et al., Plants 2022）。   为进一步确定T26102的功能，研究人员首先构建了pUbi:T26102过表达载体，得到了19AS161、济麦22、中麦175三个品种的转基因植株，对T0代植株和野生型对照进行赤霉菌接菌鉴定，接菌7天后穗子均部分干枯，过表达植株抗性水平与野生型相比没有显著差异（图2j,k）。为排除T26102与Fhb7间的氨基酸差异和启动子序列差异，研究人员对已发表的Fhb7基因序列构建了过表达载体和内源启动子载体，并转入郑麦7698和科农199，对郑麦7698背景的T0代转基因植株和科农199背景的T1代转基因植株进行接菌鉴定，发现转基因植株的抗性与对照没有显著差异（图2l-n）。   研究结果表明，T26102的同源序列在多个感病材料中存在且受诱导表达，其中部分材料中的序列与已发表的Fhb7基因区序列、启动子区序列均完全一致，T26102的过表达植株和Fhb7的过表达、内源启动子植株均不具有赤霉病抗性。Fhb7不是抗病基因，根据多年鉴定及系统材料研究，在十倍体长穗偃麦草中还没有发现类似二倍体长穗偃麦草的赤霉病抗性材料或基因。   相关研究成果于近日以Functional analysis of the glutathione S-transferases from Thinopyrum and its derivatives on wheat Fusarium head blight resistance为题发表在Plant Biotechnology Journal上。
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