TaTA1基因在小麦株型建成中的作用机制研究

Plant architecture is a key factor to determine the yield in wheat. It is not well understood how architecture is controlled in wheat, especially the research on tiller angle has no any reported. A spreading transgenic plants with larger tiller angle was obtained from the transformated rices with over-expression of wheat transcription factor. A MADS-box transcription factor was identified to cause the mutation phenotype, then named after TaTA1 (Triticum aestivum l. tiller Angle 1) according to the phenotype. In this study, we plan to clone the three linear homologous gene of TaTA1, and develop a series of specific molecular markers according to the different sequences between the wild species and modern varieties. We will perform the genetic diversity analysis in 192 wild species, 384 modern varieties and 288 materials from the Near-Isogenic Lines. The artificial selection of genes undergo during the wheat domestication will be studied. The effects of TaTA1 on important agronomic trait including plant architecture and yield and so on will be studied using associated analysis and excellent alleles will be excavated. We will analyze the gene function of TaTA1. The project will reveal the molecular mechanism of TaTA1 in regulating plant architecture, and provide the gene resource and marker information for in wheat breeding.

小麦株型建成直接影响着产量的提高。目前小麦株型建成，特别是分蘖角度调控的分子机制还很不清楚。我们前期在过量表达小麦转录因子的转基因水稻库中获得一分蘖角度大、株型分散的株系。经鉴定该表型由一个MADS-box转录因子所控制，将其命名为TaTA1 (Triticum aestivum L. Tiller Angle 1)。本项目拟克隆TaTA1的三个直线同源基因；根据序列差异开发一系列特异的分子标记，展开192份野生种、384份栽培种和288份导入系的基因多样性研究，分析TaTA1基因在驯化过程中的人工选择作用；通过关联分析剖析TaTA1基因对株型、产量等重要农艺性状的影响，挖掘优异等位变异；同时进行基因的功能分析和作用方式研究，揭示 TaTA1的分子作用机制。本项目将解析TaTA1在小麦株型建成中的作用机制，并为小麦株型遗传育种提供重要的基因资源和标记信息。

作物株型的建成严重影响着其产量的提高。小麦作为世界上最重要的粮食作物之一，其株型建成的分子机制研究目前还很薄弱，而且主要集中在株高基因的研究，对其他株型性状的调控基因报道还很少。本项目通过同源克隆的方法，在普通小麦中克隆了三个直线同源的TaTA1 基因，发现该基因由5个外显子和4个内含子组成，而且在不同物种中基因结构比较保守，但是三个直线同源基因间内含子差异比较大。通过RT-PCR研究发现TaTA1在抽穗之前的地上营养器官即叶片和茎秆中高度表达，而且三个同源基因的表达量存在显著差异；亚细胞定位分析发现其蛋白在细胞质、细胞膜和细胞核中都有表达。通过基因在600多份材料中的多样性研究发现TaTA1-6A1存在8个自然变异位点，在材料中存在3种单倍型。TaTA1-6B基因存在3个SNP自然变异位点，共有4种单倍型。TaTA1-6D基因存在4个SNP自然变异位点，共有3种单倍型。对其单倍型与不同环境下材料的农艺性状进行关联分析，发现在多个环境下TaTA1不同单倍型材料间的株高、穗茎节、穗长、旗叶长度和穗粒数性状存在显著差异。TaTA1-6A-Hap-I型的材料为株高较高、穗茎节较长、穗长和旗叶较短、穗粒数比较少的类型，而TaTA1-6A-Hap-II和Hap-III型的株高低、穗茎节较短、穗长和旗叶较长、穗粒数比较多的类型。TaTA1-6B-Hap-III型的株型表现为株高较高，穗茎节、穗长和旗叶长度较长，穗粒数和千粒重比较高的类型，是相对优异的单倍型。而TaTA1-6B-Hap-II型的株型表现为株高较低，穗茎节和旗叶长度较短，千粒重比较低的单倍型。本项目的实施揭示了小麦TaTA1s可能通过控制株高、穗长和旗叶长度三个方面的株型来调控穗粒数和千粒重以实现对产量的调节，为小麦株型分子机制的研究提供了一定的理论基础。