小麦寡分蘖基因Ltn2D的精细定位、克隆及功能分析

Tillering is one of the most important agronomic traits for grain yield and plans a key role in wheat ideotype. In our previous research, the novel gene (named as Ltn2D) for low-tiller number was identified, and five near isogenic lines (NILs) harboring this gene were developed for five secondary F2 populations containing 21,193 lines for fine mapping. Combing the results from fine mapping, the newest wheat reference genome sequence and RNA-seq and proteome data between high and low tiller NILs, the candidate genes will be screened and cloned. Moreover, transgenic technology and EMS mutant materials will be used to validate the biological function of the target genes, and the the molecular mechanism in the progress of low-number tillers controlling will be further revealed. This study will lay the foundation for constructing the theoretical system of tillering formation and development, and help us to practice the molecular breeding for plant type in wheat.

分蘖是影响小麦穗数多少并进而影响单产的重要农艺性状，也是小麦品种理想株型的重要构成因子。本项目立足于前期研究中新发现的寡分蘖基因Ltn2D，利用该基因近等基因系构建的5个次级F2群体（合计21193个单株）精细定位Ltn2D基因；根据最新公布的小麦中国春参考基因组（IWGSC RefSeq v1.0）序列信息，结合前期已完成的多-寡近等基因系的转录组、蛋白质组数据，筛选并克隆候选基因；利用基因过表达和基因敲除技术获得转基因阳性植株，并进一步鉴定转基因后代与野生型植株的分蘖数、分蘖节组织结构特征等表型性状，验证候选基因的生物学功能。同时，利用目标性状EMS突变体互补验证候选基因对分蘖数表型的作用。为构建小麦分蘖形成与发展的分子理论体系奠定基础，服务于株型分子设计育种实践。

分蘖是影响小麦穗数进而影响单产的重要农艺性状之一，是单子叶植物一种特殊的分枝现象，具有重要的研究价值。本项目以仅携带Ltn2D基因位点的近等基因系构建的次级F2群体作为材料基础，进行寡分蘖基因Ltn2D的精细定位、克隆及功能验证。主要取得如下结果：1）开发多态性分子标记并结合分蘖表型将目的基因精细定位在R322和R323之间，与R380共分离；2）定位区间内包含4个基因，克隆及序列分析发现第二个基因G360在多-寡材料间存在46个SNP位点，引起14个氨基酸的改变； 3）基因G360在寡分蘖中的表达均显著高于多分蘖，GO注释其功能为参与糖类/纤维醇的转运，查找G360基因及同源基因的互作蛋白，发现其互作蛋白可以影响水稻分蘖数量，因此确定基因G360为候选基因进行功能验证；4）G360-GFP的荧光信号（绿光）与膜定位标记信号（红光）共定位，由此表明基因G360亚细胞定位的结果位于细胞膜上；5）转基因功能验证发现，阳性转基因植株分蘖数显著低于受体材料fielder，分蘖组织观察阳性转基因植株的分蘖芽伸长生长明显受阻且无二级分蘖的形成，定量表达分析转基因株系中G360的表达量显著高于受体材料Fielder；蔗糖检测发现转基因株系中的蔗糖含量显著低于受体材料Fielder；6）利用EMS诱变NIL7B寡分蘖材料获得3份在基因G360发生突变的材料，且突变体材料分蘖数均显著高于野生型；7）利用分蘖近等基因系（NIL7A和NIL7B；NIL11A和NIL11B）进行不同播种密度的小区产量实验，发现在较高的播种密度下寡分蘖材料的产量高于多分蘖材料，说明携带G360基因的寡分蘖材料在生产中具有更高的生产潜力。.通过本项目，明确了G360是Ltn2D位点的目的基因，完成了Ltn2D基因的图位克隆，并且进一步证明了基因G360具有降低分蘖数的功能，为构建小麦分蘖形成与发展的分子理论体系奠定了基础。