小麦胚乳ADP--葡萄糖转运蛋白编码基因TαBT1的遗传效应和育种选择研究

摘要

我国小麦产量的提升主要依赖于单产的提高，其中千粒重(Thousand kernel weight，TKW)对产量的贡献位于三要素之首。小麦籽粒中65-70％为淀粉，淀粉合成可显著影响小麦TKW和产量。ADP-葡萄糖转运蛋白(BT1)介导的底物ADP-葡萄糖的跨膜转运是淀粉合成途径的重要限速步骤。本研究通过干扰小麦BT1基因的表达及标记与表型性状的相关性分析对TaBT1基因进行遗传效应分析;同时通过扫描来自全球六大小麦主产区的1305份育成品种以研究TaBT1在全球小麦育种过程的选择作用。主要研究结果如下: 1.克隆获得TaBT1的三个同源基因，利用中国春“缺体-四体”系将其定位在染色体6A、6B和6D上。该基因主要在幼穗和发育的籽粒中表达，且花后10天籽粒中的表达量达到高峰。三个同源基因的表达水平存在差异，其中A基因组相对表达量最高，D组次之，B组最低。 2.花后10天时，RNA干扰(RNA interference，RNAi)转基因小麦三个代表性阳性株系的表达量分别下降20.8％、50.3％和69.5％;淀粉粒的组成也发生了较为明显的改变，相同视野范围内，A型/B型淀粉粒比值降低。成熟后籽粒变小，三个株系的籽粒TKW分别极显著降低15.7％、31.1％和47.3％。籽粒大小发生显著变化，其中粒长分别降低0.7％、4.5％和5.6％;粒宽分别降低8.1％、13.2％和23.3％;粒厚分别降低10.1％、15.4％和17.1％;以上表明TaBT1可显著影响小麦淀粉合成及TKW。 3.利用36份普通小麦材料对TaBT1进行重测序，序列分析发现六倍体小麦中TaBT1-6A和TaBT1-6D均不存在多态性，仅在TaBT1-6B编码区及调控区检测到24处等位变异，形成三种单倍型TaBT1-6B-Hap1、TaBT1-6B-Hap2和TaBT1-6B-Hap3（以下简称为Hap1、Hap2和Hap3）;根据变异位点开发了两个分子标记CAPS-1664和InDel-2029，以区分三种单倍型;标记与表型关联分析结果表明Hap1和Hap2为与高TKW相关联的优异单倍型。 4.利用导入系验证单倍型表型效应，表明单倍型为Hap1的后代个体平均TKW为50.6g，较单倍型为Hap3的后代个体高出10.5％，两者差异达到显著水平(P＜0.05);TaBT1-6B在不同单倍型材料中的表达分析结果显示Hap1型品种的平均相对表达量最高，分别为Hap2和Hap3的1.6倍和4.3倍(P＜0.01);β-葡萄糖苷酸酶活性分析发现Hap1型启动子的驱动活性最高，分别为Hap2和Hap3的1.5倍和3.1倍（P＜0.01）。表明启动子区的变异可能引起基因表达的变化，进而造成单倍型之间的千粒重差异，且优异单倍型Hap1和Hap2型具有相对高的启动子活性。 5.由我国地方种到育成品种，优异单倍型Hap1和Hap2受到强烈的人工正向选择;随着育种年代的推进，两种单倍型频率逐渐升高;全球六大小麦主产区中Hap1和Hap2的高频率分布表明对高TKW的选择是全球性的。 6.对普通小麦二倍体祖先种乌拉尔图(AA)、粗山羊草(DD)和四倍体祖先种的BT1进行序列分析，发现在多倍化过程中BT1-6B的核苷酸多态性呈现出显著下降(πDI/πTE=7.18，P＜0.05)，以ATG上游1kb以内的启动子区降幅较为明显。对四倍体的核苷酸多态性分析结果表明BT1-6B从栽培二粒到硬粒小麦的选择效应（πDM/πDR=11.9）强于由野生二粒到栽培二粒的驯化效应（πDI/πDM=1.3）。另外六倍体核苷酸多态性的变化表明育种过程也会导致BT1-6B多态性的下降。 7.中国小麦育成品种中ADP-葡萄糖转运蛋白编码基因TaBT1-6B与ADP-葡萄糖焦磷酸化酶编码基因（TaAGP）的优异单倍型具有一定的加性效应，优异单倍型数目越多，平均TKW越高。ADP-葡萄糖焦磷酸化酶催化生成ADP-葡萄糖的过程或TaBT1蛋白介导的ADP-葡萄糖的跨膜转运过程减弱均会影响淀粉合成，进而影响TKW。 8.本研究证实TaBT1对TKW具有很强的遗传效应，开发的两个功能标记可用于标记辅助选择(Marker assisted selection，MAS)育种中。