小麦种子根数目主效QTL（QSRN-3D）的克隆与功能研究

Seminal root number (SRN) is an important part of the root system of wheat, which plays a principle role in absorption of soil nutrients and water as well as resistance to stress (drought and nutrient) during early and critical stage of development in wheat. Six QTL controlling SRN were identified using recombinant inbred lines (RILs) derived from Hesheng2 (HS2) and Nongda4332 (4332) with significant difference in SRN. Among six QTL, a major QTL located on the chromosome 3D (QSRN-3D) explained 39.75% of the phenotypic variation, which was delimited into a 8.2 Mb physical region by using the residual heterozygous lines. The purpose of this study is to narrow down the interval of fine mapping, clone the candidate gene controlling SRN and characterize the function of candidate gene. In addition, mutants and overexpression transgenic lines of candidate gene will be used for drought and nutrition stress experiment to systematically evaluate the potential application value of QTL/gene controlling SRN in breeding, in order to provide theoretical basis of molecular genetic improvement for SRN in wheat.

种子根是小麦根系的重要组成部分，在小麦苗期和生长发育关键时期吸收水分、养分以及抗逆境胁迫（干旱和营养）等方面起着重要的作用。申请人以种子根数目差异显著的普通小麦核生2号和农大4332及其衍生的重组自交系（RILs）为材料，共定位到6个控制种子根数目的QTL。其中，位于3D染色体上的主效QTL（QSRN-3D）解释39.75%的表型变异，进而利用剩余杂合系将该位点精细定位到约8.2Mb的物理区间内。拟在此基础上进一步对该主效QTL进行精细定位，克隆控制种子根数目的候选基因并进行功能验证。此外，将利用3D位点的候选基因突变体和超表达株系进行干旱和营养胁迫处理，并探讨控制种子根数目QTL/基因在小麦育种中潜在应用价值，以期为小麦种子根相关性状的分子遗传改良提供理论基础。

种子根在水分和养分的吸收方面具有重要作用，尤其是在小麦生长发育的早期。种子根数目（seminal root number，SRN）是小麦育种选择的一个关键性状，但控制种子根数的基因在很大程度上尚不清楚。在前期的研究中，我们利用核生2号（HS2）和农大4332（4332）衍生的RIL群体定位到6个控制种子根数目的QTL位点。在本研究中，我们选择了位于3D染色体上的主效QTL，利用剩余杂合系将其精细定位到8.2 Mb的物理区间内。通过表达分析、序列比对以及突变体和转基因功能验证，筛选到候选基因TaSRN-3D（TraesCS3D01G137200），其编码了一个丝氨酸/苏氨酸激酶糖原合成酶激酶3（STKc_GSK3）。激素处理实验证明在TaSRN-3D-HS2等位基因背景下，外施油菜素内酯（epi-brassinolide，BL）可以增加部分材料的种子根数目。筛选到一个与TaSRN-3D互作的蛋白TaGen1，并利用CRISPR/Cas9技术进行基因敲除初步验证其在控制种子根数目方面的功能，提出了TaSRN-3D-TaGen1模块调控种子根数目的分子机制。最后，通过氯酸盐处理实验发现，与种子根数少的材料相比，种子根数多的材料具有吸收更多养分的潜力。这一发现为研究种子根数目的遗传基础提供了思路，为小麦根部的改良育种提供了有价值的遗传资源。