小麦5DS籽粒产量相关重要候选基因的功能分析及其调控机制研究

Lacking of the critical breeding parents or function genes is one of the reasons and main obstacle to the development of wheat production in China. This project aims to the function and regulation mechanism analysis of candidate genes (TaB3 and TaWox2) related to grain yield on 5DS in common wheat. First, we combine the transgenic technique, genome-wide association analysis as well as the expression patterns of candidate genes in different wheat tissues and at the different stages of kernel development (7 days,14 days, 28days after flowering) together to know exactly the role of candidate in wheat kernel development. Then, select and identify the interaction proteins and downstream regulatory genes of the candidate genes by the method of Yeast-two-hybrid and RNA-seq respectively. The function of differentially expressed downstream genes will be analyzed by bioinformatics and other molecular biology techniques. Last, transgenic research will be performed to verify their functions of downstream genes in the grain development. According to these results, the candidate genes working model linked with wheat grain development will be constructed. This project will contribute to clarify regulatory network of wheat grain development, and provide new gene elements for the molecular breeding of wheat.

缺乏突破性育种材料和功能基因是导致目前我国小麦生产发展缓慢、单产增幅不高的根本原因和主要障碍。本项目从产量三要素影响因子千粒重入手，对实验室前期获得的产量相关候选基因TaBS3和TaWox2的功能进行深入分析研究，通过转基因小麦植株、全基因组关联分析以及候选基因组织时空表达特性分析等，明确候选基因在籽粒发育过程中的调控特性，其与粒重以及小麦产量的关系；进一步采用酵母双杂和高通量转录组测序技术，大规模挖掘候选基因的互作蛋白以及下游调控基因蛋白（拟以转基因过表达植株和对照植株为试材）。通过功能验证和互作研究，有望解析TaBS3或TaWox2调控籽粒发育的可能机理、初步明确与候选基因互作的籽粒发育调控网络因子，为小麦单产提高和分子育种提供可靠的基因资源和小麦材料。研究成果具有十分重要的科学意义和实际应用价值。

缺乏突破性育种材料和功能基因是导致目前我国小麦生产发展缓慢、单产增幅不高的根本原因和主要障碍。本项目从产量三要素影响因子千粒重入手，对候选基因TaWox2和TaB3的生物学功能和分子作用机理进行了深入分析研究。发现在小麦中过表达TaWox2或TaB3后，过表达株系明显矮化（平均降低约3.9-10 cm）、籽粒变小、表面邹缩、千粒重显著下降 (平均下降3.81g-5.42g)；而RNAi小麦株高升高（4.2-5 cm），千粒重增加（1.874g-2.28 g），差异达显著水平（P=0.01）。通过转基因材料重要农艺性状的田间表型考查、全基因组关联分析以及候选基因的组织时空表达特性分析等，明确了TaWox2和TaB3是通过影响单株千粒重进而影响小麦群体产量的生物学功能，候选基因是调控小麦籽粒发育的重要负调控作用因子；进一步，采用酵母双杂和高通量转录组测序技术，大规模挖掘了候选基因的互作蛋白以及下游调控基因蛋白（以转基因小麦植株和受体对照植株为试材）。通过酵母双杂筛选、全长cDNA验证以及烟草LCI实验证实了TaWox2能与TaABI5、而TaB3与PlaTZ蛋白产生物理互作，是候选基因的互作蛋白；通过转基因材料差异表达Unigene的注释信息、GO富集分析和KEGG 通路分析等，发现TaWox2的下游调控基因参与了ABA信号转导途径；而TaB3下游调控基因则参与了细胞循环和控制途径。通过候选基因功能验证和互作研究，初步提出TaWox2--TaABI5--ABA pathway genes的籽粒发育调控网络和TaB3--PlatZ--cell cycle-regulated genes/Containing AT rich sequence genes的籽粒发育调控网络；此外，通过本研究获得了产量提高转基因小麦材料13份，发现TaWOX2-5D/TaB3-5D分别在我国MCC中存在4/2种单倍型类型，其优异单倍型均在我国育种历程中经受了强烈的人工选择，可进一步应用于生产育种，用于提升我国各大麦区的小麦产量。因此，本研究为小麦单产提高和分子育种提供了可靠的基因资源和小麦材料，并明确了候选基因的生物学功能，初步提出了候选基因调控小麦籽粒发育的可能网络机制，研究成果具有十分重要的科学意义和实际应用价值。