小麦光周期基因TaCO9-1A的克隆、功能标记开发及其与冬春性关系的研究

光周期是植物从营养生长转为生殖生长的重要影响因子,CO(constans)基因在模式植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)的光周期途径中起重要作用。本研究利用同源克隆技术从普通小麦(Triticum aestivum L.)宁春4号中克隆了CO同源基因Ta CO9-1A(Gen Bank登录号:KM236233)的g DNA(genomic DNA)及c DNA(complementary DNA)。Ta CO9-1A的全长编码区(coding sequences,CDS)为876 bp,编码291个氨基酸,含有CO-like蛋白家族典型的CCT结构域,但不含B-box结构域;系统进化分析表明,Ta CO9-1A蛋白与水稻(Oryza sativa L.)Ghd7及大麦(Hordeum vulgare L.)Hv CO9位于同一分支;蛋白质空间结构分析表明,其CCT结构域的NF-YA2区域较为保守;Ta CO9-1A原核表达蛋白分子量为31 k D,与预测结果一致;实时荧光定量PCR结果显示,Ta CO9-1A在普通小麦抽穗期的根、茎、叶及幼穗均有表达,但根部表达量较低,相对表达量依次为叶茎幼穗根。比较该基因在冬春性不同品种中的核酸序列发现,冬性品种第二外显子存在6个碱基的缺失,针对该差异开发了分子标记,在25份冬春性不同的小麦品种中扩增出511和517 bp两种带型,分别与这些品种的冬春性及在杨凌地区两年的抽穗及开花时间早晚显著相关。本研究结果表明,Ta CO9-1A在小麦春化作用和光周期途径中扮演着重要角色,为研究小麦光周期途径和春化作用途径提供了基础资料,有助于揭示Ta CO9-1A调控小麦冬春性及成熟期的分子机理。     

小麦粒重基因TaGW2-6A等位变异的组成分析及育种选择

位于6A染色体的Ta GW2是控制小麦籽粒大小的关键基因,已发现其第8外显子有一个T碱基插入等位变异,其启动子区存在Hap-6A?A及Hap-6A?G等位变异。利用高分辨率熔解曲线分析技术(high resolution melting curve analysis,HRM)和Hap-6A-P1/P2分子标记检测了316份小麦品种(系)的Ta GW2-6A基因在上述2个位点的等位变异,分析了其不同等位变异与粒长、粒宽和千粒重的相关性,并以大面积推广的大粒品种周麦22为例,解析Ta GW2-6A基因优异等位变异在系谱选育中的遗传传递。共检测到61份T碱基插入等位变异(命名为977T基因型)和255份无T碱基插入的等位变异(977?基因型)材料;在977T基因型中,Hap-6A?A(TA)和Hap-6A?G(TG)单倍型材料分别为29份和32份,在977?基因型中,Hap-6A?A(?A)和Hap-6A?G(?G)单倍型材料分别为160份和95份。关联分析表明,977T基因型与977?基因型的粒长(P0.05)、粒宽(P0.001)和千粒重(P0.001)均有显著差异,Hap-6A?A单倍型与Hap-6A?G单倍型的粒长(P0.05)、粒宽(P0.05)和千粒重(P0.001)也有显著差异。Ta GW2-6A基因编码区和启动子区等位变异之间存在相互作用,共同调控小麦籽粒的大小,其中TA单倍型比TG、?A、?G单倍型更能增加小麦的粒宽和粒重,是优异的等位变异组合。周麦22为TA单倍型,系谱分析表明,该等位变异并非来源于亲本周8425B,而是来源于亲本辉县红,且TA单倍型能够稳定遗传,但是在常规育种选择过程中可能会丢失。本研究筛选出的Ta GW2-6A优异等位变异TA单倍型材料及高通量分子检测方法为分子标记辅助育种提供材料和方法依据。     

小麦CO-like基因TaCO9的克隆及分析

CO蛋白(CONSTANS)是光周期途径中重要的调控因子,为了从普通小麦中进一步挖掘COlike基因,利用同源克隆的方法得到与大麦HvCO9基因同源的小麦TaCO9基因。结果表明,在冬性品种西农889中,初步克隆得到TaCO9基因的三个同源序列,分别命名为TaCO9-1、TaCO9-2、TaCO9-3。其cDNA序列全长均为870bp,开放阅读框为1 977bp,编码289个氨基酸,含有CO-like蛋白家族典型的CCT结构域,但不含B-box结构域;而在春性品种中发现TaCO9-1序列的第二外显子区域有6个碱基的插入,利用中国春缺-四体材料将该序列定位于小麦的1A染色体,命名为TaCO9-1A。系统发育分析表明,TaCO9蛋白与水稻Ghd7及大麦HvCO9位于同一分支。空间结构分析表明,其CCT结构域的NF-YA2区域较为保守,而该区域与CCAAT box互作相关。本研究克隆得到的TaCO9基因可能是小麦CO-like基因家族的新成员,与大麦HvCO9基因的结构相似,可作为新的小麦光周期候选基因加以研究利用。     

小麦粒重基因TaGW2-6A等位变异的高通量分子检测

为了开发出一种高通量的TaGW2-6A基因等位变异分子检测技术,利用高分辨率熔解曲线分析技术(High resolution melting curve analysis,HRM)检测了316份小麦材料的TaGW2-6A基因编码区T碱基插入等位变异以及启动子区Hap-6A-A(-593A和-739G)和Hap-6A-G(-593G和-739A)等位变异,同时利用桑格测序和Hap-6A-P1/P2分子标记验证HRM的分析结果。结果表明,HRM技术能够准确、高效的检测TaGW2-6A基因的等位变异。在316份材料中,检测到61份T碱基插入等位变异材料(命名为TT基因型)和255份无T碱基插入的等位变异材料(命名为tt基因型);其中,189份为Hap-6A-A单倍型材料,127份为Hap-6A-G单倍型材料。     

小麦粒重基因TaGW2-6A编码区等位变异与抗旱性的关系

【目的】小麦籽粒大小及其在水、旱两种生态环境下的稳定性直接影响小麦的产量,研究小麦粒重与抗旱性的关系对品种高产稳产具有重要意义。探究粒重相关基因不同等位变异的抗旱性,进而确定抗旱高产的优异等位变异基因型,为利用该基因型进行小麦抗旱高产品种分子标记辅助选择及性状的遗传改良提供理论依据。【方法】以小麦粒重基因TaGW2-6A编码区不同等位变异的中国春和兰考大粒（977 bp多一个“T”碱基插入）为亲本构建的含有325个株系的RIL群体为研究材料,依据序列“T”碱基插入设计引物,利用高分辨率熔解曲线分析技术（high resolution melting curve,HRM）鉴定RIL群体中TaGW2-6A编码区不同等位变异基因型,并对其PCR产物进行测序分析。在水、旱两种生态环境下,测定小麦开花期、灌浆中期和乳熟期的叶绿素荧光参数、茎秆可溶性糖含量、抗旱指数等与抗旱紧密相关的指标,考察粒长、粒宽、千粒重等粒重相关性状,并研究这些抗旱相关指标及粒重相关性状与小麦粒重基因TaGW2-6A编码区不同等位变异基因型之间的相关性。【结果】高分辨率熔解曲线分析技术可以准确地将小麦RIL群体按TaGW2-6A编码区不同等位变异分为兰考大粒基因型（TT）、中国春基因型（tt）以及杂合基因型（Tt）,且PCR产物测序结果显示高分辨率熔解曲线的差异是由“T”碱基插入引起的。水、旱两种生态环境下,RIL群体中TT、Tt基因型材料与tt基因型材料相比,粒长、粒宽、千粒重等粒重相关性状以及叶绿素荧光参数、茎秆可溶性糖相关性状、抗旱指数等抗旱相关指标的差异普遍达到显著或极显著水平。旱胁迫下,小麦RIL群体不同基因型材料的粒长、粒宽、千粒重等粒重相关性状、叶绿素荧光参数除初始荧光Fo外均有所降低,而茎秆可溶性糖含量则有所增加。但TT、Tt基因型材料的粒长、粒宽、千粒重及叶绿素荧光参数的下降幅度普遍比tt基因型材料小,而茎秆可溶性糖的增加幅度比tt基因型材料大。旱胁迫下,tt基因型的茎秆可溶性糖积累效率（accumulation efficiency of stem soluble sugar content,AESSC）和转运效率（remobilization efficiency of stem soluble sugar content,RESSC）有所降低,而TT、Tt基因型的茎秆可溶性糖积累效率和转运效率则有所提高。【结论】小麦粒重基因TaGW2-6A编码区“T”碱基插入等位变异是大粒的优异等位变异,与此同时,该等位变异也是抗旱的优异等位变异,且抗旱能力与晋麦47相近。