2024年4月4日发(作者：少夏兰)
作物学报
ACTA
AGRONOMICA
SINICA 2022, 48(9): 21962209 /
ISSN 0496-3490; CN 11-1809/S; CODEN TSHPA9 E-mail:***************
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2022.11078
小麦小穗数调控基因WAPO1的单倍型、遗传效应、地理分布及育种
利用分析
丁浦洋
1,**
周界光
1,**
赵聪豪
1
唐华苹
1
牟 杨
1
唐力为
2
邓 梅
1
魏育明
1
兰秀锦
1
马 建
1,*
1 2
四川农业大学小麦研究所, 四川成都 611130;
攀枝花市农林科学研究院, 四川攀枝花 617061
摘 要: 小麦穗部性状直接与产量相关, 是极重要的农艺性状。WAPO1编码F-box蛋白, 是水稻小穗数发育相关基
因APO1在小麦中的直系同源基因。本研究鉴定了WAPO1的优异单倍型, 并对其遗传效应、地理分布和育种利用情
况进行了鉴定。通过开发的KASP标记对编码区第140位碱基变异SNP(G/T)进行鉴定, 并使用前人报道的启动子
InDel标记对WAPO1启动子115 bp的插入缺失进行鉴定, 在中国地方小麦中进行单倍型鉴定。结果显示, 在前人鉴
定到的3种单倍型(H1: 140
G
+115
deletion
, H2: 140
T
+115
insertion
, H3: 140
G
+115
insertion
)基础上, 鉴定到了新的第4种单倍型
(H4: 140
T
+115
deletion
)并证明H2和H4为优异单倍型, 能显著提高小麦每穗小穗数。将开发的KASP标记对223份世
界小麦、144份中国育成小麦和119份四川小麦进行分型, 筛选出优异单倍型并对其在育种中的利用和分布进行了鉴
定, 结果表明优异单倍型在中国和世界范围都被广泛选育。
关键词:
WAPO1; 每穗小穗数; 优异单倍型; 地理分布; 育种利用
Dissection of haplotypes, geographical distribution and breeding utilization of
WAPO1 associated with spike development in wheat
DING Pu-Yang
1,**
, ZHOU Jie-Guang
1,**
, ZHAO Cong-Hao
1
, TANG Hua-Ping
1
, MU Yang
1
, TANG Li-Wei
2
,
DENG Mei
1
, WEI Yu-Ming
1
, LAN Xiu-Jin
1
, and MA Jian
1,*
1
Triticeae Research Institute, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, Sichuan, China;
2
Panzhihua Academy of Agricultural and Forestry
Sciences, Panzhihua 617061, Sichuan, China
Abstract: Wheat is one of the most important crops, and spike is an important trait affecting yield. WAPO1, encoding an F-box
protein, is an ortholog of rice APO1 in wheat. In this study, superior haplotypes of WAPO1 were identified and their genetic ef-
fects, geographical distribution, and breeding utilization were further analyzed. The SNP (G/T) in F-box region was identified by
using the developed KASP marker and 115 bp insertion/deletion of promoter was identified to analyze the haplotypes by the re-
ported InDel marker in Chinese wheat landraces. In addition to the previously identified three haplotypes (H1: 140
G
+115
deletion
, H2:
140
T
+115
insertion
, and H3: 140
G
+115
insertion
), we identified a new and fourth haplotype (H4: 140
T
+115
deletion
) and proved that H2 and
H4 were superior haplotypes, which could significantly increase spikelet number per spike in wheat. The KASP marker was also
used to identify the superior haplotypes of Chinese wheat varieties/lines, Sichuan wheat varieties and world wheat varieties, and to
explore their distribution and breeding utilization. The results reveal that the superior haplotypes are widely selected and bred in
China and the world.
Keywords: WAPO1; spikelet number per spike; superior haplotypes; geographical distribution; breeding utilization
本研究由四川省应用基础研究计划项目(2020YJ0140, 2021YJ0503)和四川省国际合作交流项目(2021YFH0083)资助。
This study was supported by the Applied Basic Research Programs of Science and Technology Department of Sichuan Province (2020YJ0140,
2021YJ0503) and the International Cooperation and Exchanges Program of Science and Technology (2021YFH0083).
*
通信作者(Corresponding author): 马建,E-mail:****************.cn
同等贡献(Contributed equally to this work)
**
第一作者联系方式: 丁浦洋,E-mail:****************;周界光,E-mail:****************
Received (收稿日期): 2021-09-04; Accepted (接受日期): 2021-11-29; Published online (网络出版日期): 2021-12-27.
URL: /kcms/detail/
第
9
期
丁浦洋等: 小麦小穗数调控基因WAPO1的单倍型、遗传效应、地理分布及育种利用分析
2197
联合国粮食及农业组织(FAO)在2018年曾指出,
到2050年, 世界人口将增加34%, 而粮食产量需较
当前提高70%才能满足人们的需求()。
而根据国家统计局的统计报告显示, 我国2019和
2020年的粮食总产量的增加均为0.9% (.
), 这使得我国将面临巨大的粮食缺口。普通
小麦(AABBDD, Triticum aestivum L.)作为三大作物
之一, 也是世界上最重要的粮食作物。小麦的产量
三要素由单位面积穗数、每穗粒数和粒重构成, 其
穗部结构直接决定了小麦的产量, 是一个关键的农
艺性状, 而每穗小穗数与每穗粒数密切相关, 可以
通过提高每穗小穗数来提高小麦产量
[1-4]
。
小麦穗的每个穗轴上着生着无梗小穗, 每个小
穗上又能形成多个小花, 每个小穗一般形成3个左
右可育小花, 每穗小穗数在小穗分生组织完成顶端
小穗的分化时就已经确定
[5-7]
。但小麦每穗小穗数又
会受到多种因素的调控, 包括温度、光照时间和强
度等, 同时小麦中一些基因也会影响每穗小穗数,
如玉米tb1的直系同源基因TEOSINTE BRANCHED1
(TB1)
[8]
、水稻FRIZZY PANICLE (FZP)的直系同源基
因(WFZP)
[2,5,9]
、光周期基因PHOTOPERIOD
RESPONSE locus (Ppd-1)
[10]
、春化基因VRN
[11-12]
、
开花期基因FT
[13]
、水稻ABERRANT PANICLE
ORGANIZATION 1 (APO1)的直系同源基因WAPO1
(TaAPO-A1)
[6,14]
和驯化基因Q
[15-16]
等。因此对不同
小麦种质资源中每穗小穗数的相关基因进行鉴定和
利用具有重要意义。
WAPO1是拟南芥UNUSUAL FLORAL ORGAN
(UFO)和水稻APO1的直系同源基因, UFO在拟南芥
中对花器官具有调控作用, 且该基因结构保守, 编
码一个保守的F-box蛋白
[17-18]
。APO1基因在水稻中
同样编码一个F-box蛋白并调节花序分生组织和小
穗分生组织, 对维持正常的花序结构和小穗数量具
有重要作用
[19-20]
。此前, Muqaddasi等
[14]
通过GWAS
鉴定到7AL染色体上WAPO1正向调控小麦每穗小
穗数, 并在WAPO1编码的F-box蛋白区域鉴定到非
同义突变(编码序列的第140位碱基G→T, 第47位
氨基酸C→F), 并将其分为了2种单倍型, 即140
G
和140
T
的单倍型。而Kuzay等
[6]
通过精细定位, 在
小麦7AL染色体上鉴定到正向调控每穗小穗数的候
选基因, 即WAPO1
。
与Muqaddasi等
[14]
结果不同的
是, Kuzay等
[6]
进一步将该基因启动子115 bp的插入
缺失与F-box的突变位点结合, 得到了3种单倍型,
即启动子存在缺失而等位位点为G碱基的单倍型1
(H1, 140
G
+115
deletion
)、启动子没有缺失而等位位点为
T碱基的单倍型2 (H2, 140
T
+115
insertion
)、启动子没有
缺失而等位位点为G碱基的单倍型3 (H3,
140
G
+115
insertion
), 且Kuzay等
[6]
的研究表明H2
(140
T
+115
insertion
)能够显著提高小麦小穗数, 是优异
单倍型, 有助于进一步提高小麦产量。此外,
Voss-Fels等
[21]
对220个冬小麦材料进行全基因组关
联分析后发现WAPO1是小麦7AL染色体上穗轴节
数(除复穗等特殊表型外, 可认为是每穗小穗数)位
点的候选基因。Voss-Fels等
[21]
进一步通过5个15K
SNP标记在全球范围内收集的大量四倍体和六倍体
小麦中进行单倍型分析, 在四倍体小麦和六倍体小
麦中分别鉴定到12种和8种单倍型(四倍体小麦的
12种单倍型中涵盖六倍体小麦的8种单倍型, 分别
为h1~h12), Voss-Fels等
[21]
将其中11种单倍型
(h1~h11)与Kuzay等
[6]
鉴定到的3单倍型(H1~H3)进
行比较均能对应, 但h12未能找到对应关系
[6,21]
。
本课题组在前期的研究中鉴定到一个位于小麦
7AL染色体上控制每穗小穗数的QTL (-
2SY-2D.1)
[22]
, 该区间包含了WAPO1, 我们在定位群
体的亲本中对该基因进行了分离, 测序结果显示,
该基因与前人报道的140
G/T
的SNP一致
[6,14]
, 因此
我们推测该位点极可能由WAPO1基因控制
[22]
。而
近期Kuzay等
[6]
在四倍体小麦中对WAPO1进行了新
的功能研究, 在四倍体小麦突变体和四倍体小麦转
基因材料中对A和B染色体中的WAPO1基因进行
了鉴定
[22]
。结果表明WAPO1在A、B染色体上的单
缺失突变体的每穗小穗数均显著低于野生型, 而A、
B染色体上的双缺失突变体的每穗小穗数则更低,
同时WAPO1的缺失会使得穗部和花结构异常, 造成
基部小穗雌蕊裸露和顶端小穗变小变密。Kuzay等
[6]
还通过转基因四倍体小麦对F-box区域碱基变异和
启动子插入缺失对表型的影响进行了分析, 研究表
明140
G/T
的SNP对每穗小穗数和抽穗期没有显著影
响, 而启动子的缺失则会影响穗在发育过程的表达,
从而减少每穗小穗数
[23]
。而对比已有研究, 我们发
现前人仅在四倍体小麦中对WAPO1功能进行了验
证, 而六倍体小麦中的相关研究仍然匮乏。考虑到
140
G/T
的SNP和启动子115
insertion/deletion
的插入缺失和
已有的3种单倍型以及Voss-Fels等
[21]
鉴定到的h12
未能与H1~H3相对应, 我们猜想是否存在第4种单
倍型(140
T
+115
deletion
), 以及该单倍型对是否影响小
2198 作 物 学 报
第48卷
麦小穗数。由于该基因对现代小麦的育种改良、选
育大穗高产小麦品种具有重要意义, 因此该基因在
六倍体小麦中对相关农艺性状的影响还需进一步的
分析。在此基础上, 我们通过鉴定到的F-box区域
140
G/T
SNP位点进行了KASP分子标记的开发, 并结
合前人开发的启动子InDel标记
[6]
对中国地方小麦
进行了分型, 确实发现了第4种单倍型(H4,
140
T
+115
deletion
)并得出H2和H4为优异单倍型。利
用KASP标记对中国育成的小麦品种/品系(以下简
称为中国育成小麦)、世界各地的小麦品种(以下简称
为世界小麦)和四川本地育成的小麦品种(以下简称
四川小麦)的优异单倍型进行了鉴定。对WAPO1基
因的优异单倍型在中国及世界范围内的育种利用与
分布进行了鉴定, 为探究该基因在育种过程中提高
每穗小穗数和产量的潜力奠定了基础。
1 材料与方法
1.1 植物材料
本试验所使用的材料包括769份中国地方小麦
(附表1)、223份世界小麦(附表2)、144份中国育成
小麦(附表3)和119份中国四川省小麦(附表4)。其
中223份世界小麦、144份中国育成小麦、119份四
川小麦和46份中国地方小麦由本课题组保存, 另外
723份中国地方小麦由Wang等
[24]
提供。723份中国
地方小麦于2012年种植于四川雅安(103°37′E,
22°42′N); 2013、2014和2015年种植于四川温江
(103°41′E, 30°36′N); 2014年和2015年种植于四川崇
州(103°39′E, 30°33′N), 其表型数据由Liu等
[25]
提
供。119份四川小麦品种植于2017年和2018年的四
川崇州(103°39′E, 30°33′N), 其表型由Cheng等
[26]
提
供。考虑到四川季节间温度变化较小, 昼夜温差较
大, 为春性小麦秋冬播种和形成大穗创造了有利条
件, 四川选育的小麦以大穗材料为主
[27]
, 因此我们
将四川小麦与中国育成小麦分开进行了分析。世界
小麦与中国育成小麦仅提取DNA用于基因分型未
进行表型鉴定。所有试验均采用随机区组设计, 每
行1.5 m, 行间30 cm, 每行种15粒种子, 所有田间
试验都按照当地标准进行灌溉和管理。
1.2 试剂
DNA聚合酶Phanta Max Super-Fidelity DNA
Polymerase、琼脂糖凝胶回收试剂盒购于南京诺唯赞
生物科技股份有限公司; KASP标记分型所用
AQP-SNP/InDel分型通用试剂盒购于北京嘉程生物
科技有限公司; 连接载体pMD19-T购于北京宝日医
生物技术有限公司; PCR引物合成及 DNA 测序由
北京擎科生物科技有限公司完成。
1.3 WAPO1基因的生物信息学分析
利用小麦多组学网站(202.194.139.32/)和
EmsenblPlants (/)搜
集六倍体、四倍体及二倍体小麦、大麦、水稻和玉
米等WAPO1直系同源基因及其启动子序列。参照前
人的方法
[28-29]
, 仅使用了基因上游1000 bp启动子
序列用于后续分析。将获得的直系同源基因序列与
其物理图谱进行比对, 确认它们的位置。采用
DNAman 6.0软件进行序列比对, 评估不同物种(包
括每个内含子和外显子)序列之间的相似性, 将其翻
译为氨基酸序列后, 上传至SMART网站进行蛋白
结构分析(/)。利用
PLACE (/PLACE/?action=
newplace)对WAPO1启动子中的顺式作用元件进行
分析。利用小麦多组学网站(202.194.139.32/)
进行WAPO1表达模式的鉴定。
1.4 WAPO1基因SNP位点的KASP标记开发及
分型
本试验采取CTAB法提取三叶期叶片的基因组
DNA
[30]
。根据前期已经鉴定到的SNP位点进行
KASP标记的开发, 该标记由3条引物组成, 包括2
条携带不同荧光基团的上引物和1条下引物, 具体
信息为携带FAM荧光基团的上引物F-FAM:
5′-GAAGGTGACCAAGTTCATGCTAAGGACGGCG
TCGGGAGGA-3′, 携带HEX荧光基团的上引物
F-HEX: 5′-GAAGGTCGGAGTCAACGGATTAAGG
ACGGCGTCGGGAGGC-3′和下引物R: 5′-CGCTG
CTGGACCGCGTGCT-3′, 所有引物序列均为5′到
3′。PCR体系(10 µL)为: 50 ng基因组DNA, 每条引
物各0.2 µmol L
–1
, HiGeno 2× Probe Mix 5 µL。反应
条件为94℃ 15 min, 94℃ 20 s和61℃ 1 min 10个循
环, 随后94℃ 20 s和55℃ 1 min 26个循环, 最后
37℃ 1 min读取荧光信号。利用开发的KASP标记
对中国地方小麦、世界小麦、中国育成小麦和四川
小麦进行了WAPO1 140
G/T
的SNP位点鉴定(图2-a, c,
d), 使用SPSS 18.0软件进行显著性检测, 并使用
Origin 2018软件进行箱线图的绘制。
1.5 WAPO1基因及其启动子的分离
参考前人对WAPO1启动子设计的分离引物
[6]
,
在定位群体亲本20828和SY95-71以及中国地方小
麦中进行启动子插入缺失的检测(图2-b), 并对部分
第
9
期
丁浦洋等: 小麦小穗数调控基因WAPO1的单倍型、遗传效应、地理分布及育种利用分析
2199
材料进行了WAPO1基因及其启动子的克隆, PCR体
系(50 µL)为: 100 ng基因组DNA、每条引物各0.2
Fidelity DNA Polymerase 5 µL、2× Phanta Max buffer
25 µL。反应条件为94℃ 5 min, 94℃ 15 s和61℃ 15
s和72℃ 1 min 35个循环, 最后72℃延伸5 min。
PCR产物在1.2%的琼脂糖凝胶上进行检测并使用琼
脂糖凝胶回收试剂盒进行产物回收纯化。回收的产
物用于基因克隆, 筛选出阳性克隆挑单菌送往北京
擎科生物科技有限公司进行测序。每个扩增产物进
行了3个重复并进行双向测序。
1-a)。通过序列比对, WAPO1-A与WAPO1-B和
WAPO1-D的gDNA序列相似性分别为88.1%和
性为91.16%。WAPO1-A与WAPO1-B和WAPO1-D
的CDS相似性分别为88.43%和96.98%, WAPO1-B
与WAPO1-D的CDS相似性为87.95%。
进一步通过BLAST分析其他物种中WAPO1的
直系同源基因, 将大麦、节节麦和野生二粒小麦上
的WAPO1基因命名为Hv-WAPO1、Ae-WAPO1-D
、
Tt-WAPO1-A和Tt-WAPO1-B (水稻和拟南芥则分别
使用原有名称APO1和UFO)。将各个物种中的
WAPO1基因序列与其物理图谱进行比对, 进而确认
其物理位置(图1-b)。将其编码的氨基酸序列进行蛋
白结构分析, 结果显示所有基因均编码一个保守的
F-box蛋白和5~6个低复杂度区域(图1-c)。
2.1.2 WAPO1基因启动子分析 将WAPO1-A
、
WAPO1-B和WAPO1-D的启动子在PLACE上进行
WAPO1-B不含顺式作用元件分析, 其中WAPO1-A
、
有5′UTR, 而WAPO1-D含有102 bp的5′UTR。在
WAPO1-A
、
WAPO1-B和WAPO1-D分别鉴定到65、
50和75个作用元件(附表5), 进一步分析发现, 其中
有27个作用元件是3个基因启动子所共有的, 可能
是WAPO1基因起调控作用的关键元件(表1)。将前
µmol L
–1
、dNTP 10 mmol L
–1
、Phanta Max Super-
88.56%, WAPO1-B与WAPO1-D的gDNA序列相似
2 结果与分析
2.1 WAPO1基因生物信息学分析
2.1.1 WAPO1基因序列分析 小麦WAPO1
(TraesCS7A02G481600)位于7AL染色体, 通过
BLAST分析, 得知其同源基因分别位于7BL (Traes
CS7B02G384000)和7DL (TraesCS7D02G468700)染
色体, 分别将A、B、D染色体上的WAPO1基因命
名为WAPO1-A
、
WAPO1-B和WAPO1-D。序列分析
显示, 3个基因均含有2个外显子和1个内含子, A、
B、D的gDNA全长分别为1.46、1.60和1.59 kb, CDS
(coding sequences)分别为1.32、1.45和1. 43 kb (图
图1 WAPO1基因的结构分析(a)、染色体定位(b)与蛋白结构分析(c)
Fig. 1 Gene structures (a), chromosomal locations (b), and protein structures (c) analysis of WAPO1
c: 中F-box为蛋白结构域; 紫色框为低复杂度区域。
Ta: Triticum aestivum; Tt: Triticum turgidum; Ae: Aegilops tauschii; Hv: Hordeum vulgare; Os: O. sativa; At: Arabidopsis thaliana; c: F-box
is the protein domain. Purple boxes represent low complexity regions.
2200
作 物 学 报
第48卷
表1 小麦共有的启动子顺式作用元件
Table 1 Common cis-acting elements of promoters in wheat
元件名称
Element name
核心序列
Core sequence
功能描述
Functional description
CaMV 35S启动子中的GATA motif, 与ASF-2结合
GATA motif in CaMV 35S promoter; binding with ASF-2
ARR1AT NGATT
NODCON2GM CTCTT
OSE2ROOTNODULE CTCTT
在拟南芥中的ARR1结合元件, ARR1是响应调节器
ARR1-binding element found in Arabidopsis; ARR1 is a response regulator
两个假定的结节蛋白共识序列之一
One of two putative nodulin consensus sequences
在根瘤感染细胞中激活的启动子的器官特异性元件的共识序列的motif之一
One of the consensus sequence motifs of organ-specific elements (OSE) charac-
teristic of the promoters activated in infected cells of root nodules
CAATBOX1 CAAT
GT1CONSENSUS GRWAAW
POLLEN1LELAT52 AGAAA
豌豆的legA基因中“CAAT启动子共识序列”
“CAAT promoter consensus sequence” found in legA gene of pea
许多光调节基因中共识的GT-1结合位点
Consensus GT-1 binding site in many light-regulated genes
番茄lat52基因的花粉特异激活的两个相互依赖的调控元件之一
One of two co-dependent regulatory elements responsible for pollen specific
activation of tomato (L.e.) lat52 gene
GTGANTG10 GTGA 烟草晚花粉基因g10的启动子种的GTGA基序, 该基序与果胶酸裂解酶同源,
并推测与番茄基因lat56同源
GTGA motif found in the promoter of the tobacco (N.t.) late pollen gene g10
which shows homology to pectate lyase and is the putative homologue of the
tomato gene lat56
DOFCOREZM AAAG
RAV1AAT CAACA
玉米中Dof蛋白结合所需的核心位点
Core site required for binding of Dof proteins in maize
拟南芥转录因子RAV1的共识结合序列, RAV1特异性结合DNA与RAV1-A
(CAACA)和RAV1-B (CACCTG)的两部分序列构成的motif
Binding consensus sequence of Arabidopsis transcription factor, RAV1; RAV1
specifically binds to DNA with bipartite sequence motifs of RAV1-A (CAACA)
and RAV1-B (CACCTG)
CCAATBOX1 CCAAT
EBOXBNNAPA CANNTG
MYCCONSENSUSAT CANNTG
真核生物基因5'-非编码区共有序列
Common sequence found in the 5'-non-coding regions of eukaryotic genes
甘蓝型油菜贮藏蛋白基因的E-box
E-box of napA storage-protein gene of Brassica napus
存在于脱水反应基因rd22启动子和其他拟南芥基因中的MYC识别位点
MYC recognition site found in the promoters of the dehydration-responsive gene
rd22 and many other genes in Arabidopsis
CACTFTPPCA1 YACT 四核苷酸(CACT)是C
4
双子叶植物F. trinervia磷酸烯醇丙酮酸羧化酶(ppcA1)
远端顺式调控元件Mem1的关键成分
Tetranucleotide (CACT) is a key component of Mem1 (mesophyll expression
module 1) found in the cis-regulatory element in the distal region of the phos-
phoenolpyruvate carboxylase (ppcA1) of the C
4
dicot F. trinervia
INRNTPSADB YTCANTYY 不含TATA boxes的烟草psaDb基因启动子中发现的Inr元件
Inr (initiator) elements found in the tobacco psaDb gene promoter without TATA
boxes
WRKY71OS TGAC 水稻WRKY71的结合位点, 是赤霉素信号通路的转录抑制因子
Binding site of rice WRKY71, a transcriptional repressor of the gibberellin sig-
naling pathway
WBOXATNPR1 TTGAC
WBOXNTERF3 TGACY
拟南芥NPR1基因启动子中发现的W-box
“W-box” found in promoter of Arabidopsis thaliana NPR1 gene
烟草转录抑制基因ERF3的启动子中发现的W-box
“W-box” found in the promoter region of a transcriptional repressor ERF3 gene in
tobacco
GATABOX GATA
第
9
期
丁浦洋等: 小麦小穗数调控基因WAPO1的单倍型、遗传效应、地理分布及育种利用分析
2201
(续表1)
元件名称
Element name
核心序列
Core sequence
功能描述
Functional description
拟南芥A7(AtEXPA7)同源基因中保留的RHEs的右侧部分来自不同被子植物
物种, 具有不同的毛发分布模式
Right part of RHEs (Root Hair-specific cis-elements) conserved among the
Arabidopsis thaliana A7 (AtEXPA7) orthologous (and paralogous) genes from
diverse angiosperm species with different hair distribution patterns
RHERPATEXPA7 KCACGW
PRECONSCRHSP70A SCGAYNRNNNNNNNN
NNNNNNNHD
CGACGOSAMY3 CGACG
衣藻HSP70A启动子中PRE的共识序列
Consensus sequence of PRE (plastid response element) in the promoters of
HSP70A in Chlamydomonas
存在于水稻Amy3D和Amy3E淀粉酶基因GC富集区域的CGACG元件, 但不
存在于Amy3E基因中, 可作为G box元件的耦合元件
CGACG element found in the GC-rich regions of the rice Amy3D and Amy3E
amylase genes, but not in Amy3E gene; may function as a coupling element for
the G box element
ACGTATERD1 ACGT 拟南芥黄化诱导erd1表达所需的ACGT序列(–155~ –152)
ACGT sequence (from –155 to –152) required for etiolation-induced expression of
erd1 (early responsive to dehydration) in Arabidopsis
SORLIP1AT GCCAC 拟南芥中光诱导启动子的过度表达序列之一
One of sequences over-represented in light-induced promoters (SORLIPs) in
Arabidopsis
DPBFCOREDCDC3 ACACNNG DPBF-1和2核心结合序列是一类新的bZIP转录因子
A novel class of bZIP transcription factors, DPBF-1 and 2 (Dc3 promoter-binding
factor-1 and 2) binding core sequence
GT1GMSCAM4 GAAAAA 大豆CaM亚型SCaM-4启动子中发现的GT-1 motif, 在病原体和盐诱导的
SCaM-4基因表达中发挥作用
GT-1 motif found in the promoter of soybean (Glycine max) CaM isoform,
SCaM-4; plays a role in pathogen- and salt-induced SCaM-4 gene expression
SEF4MOTIFGM7S RTTTTTR SEF4结合位点, 在beta-conglycinin基因(Gmg17.1) 5'上游区域(−199)发现的大
豆共识序列, 与SEF4结合
SEF4 binding site; soybean consensus sequence found in 5' upstream region (–199)
of beta-conglycinin (7S globulin) gene (Gmg17.1); “Binding with SEF4 (soybean
embryo factor 4)”
CURECORECR GTAC GTAC是在衣藻Cyc6和Cpx1基因中发现的CuRE核心
GTAC is the core of a CuRE (copper-response element) found in Cyc6 and Cpx1
genes in Chlamydomonas
加粗显示的元件为涉及115 bp插入缺失的启动子元件。
The promoter elements involving 115
insertion/deletion
were shown in bold.
人报道
[6]
的WAPO1启动子115 bp的插入缺失位置与
本文鉴定到的顺式作用元件进行比对后发现,
GATABOX、RHERPATEXPA7、SORLIP1AT、
POLLEN1LELAT52、DOFCOREZM和GT1CONSENSUS
这6个作用元件会受到插入缺失突变的影响。
2.1.3 WAPO1基因表达模式分析 对WAPO1-
A、WAPO1-B和WAPO1-D进行表达模式分析, 结果
表明WAPO1-A在幼穗发育到1 cm时的茎中表达量
最高, 其次为分蘖期的叶, 在穗发育到二棱期时也
有一定表达, 但在穗发育的后期和籽粒发育的所有
阶段均没有表达。与WAPO1-A类似的是, WAPO1-B
和WAPO1-D均在幼穗发育到1 cm时的茎中表达量
最高, 其中WAPO1-B的表达量最高, 其次是
WAPO1-D, 而WAPO1-A在3个基因中表达量最低。
但不同的是, WAPO1-B和WAPO1-D在穗发育的后
期和籽粒发育的早期阶段还有表达, 且WAPO1-D
在籽粒发育的早期表达量较高仅次于幼穗发育到1
cm时的茎, 因此小麦中WAPO1 3个基因在表达模
式上存在一定差异(附图1)。
2.2 WAPO1基因F-box区域内SNP和启动子插
入缺失的分析
2.2.1 WAPO1基因F-box区域内SNP和启动子插
入缺失对表型影响 基于已获得的F-box区域
140
G/T
的SNP, 对该位点进行分子标记的开发, 成功
2202
作 物 学 报
第48卷
开发出KASP标记KASP-GT-WAPO1。基于前期已有
的研究
[6]
, WAPO1被分为了3种单倍型(H1、H2和
H3), 我们提取了769份中国地方小麦的DNA, 通过
KASP-GT-WAPO1与前人报道的启动子InDel标记
[6]
对这些材料进行了分型(图2-a, b), 对其启动子和
SNP进行了鉴定。结果表明, H1、H2和H3的数量
分别为50、573和26, 在中国地方小麦中分别占比
6.5%、74.51%和3.38%。而在这3种单倍型的基础
上, 我们还发现了8个材料为第4种单倍型(H4,
140
T
+115
deletion
), 仅占中国地方小麦1.04%, 属于稀
有单倍型, 其启动子存在缺失而F-box蛋白的SNP
碱基为T (附表1)。结合Voss-Fels等
[21]
的研究结果,
我们推测本研究中鉴定到的H4单倍型, 很可能与
Voss-Fels等
[21]
鉴定到的h12单倍型对应。
前期, 我们对定位群体的亲本进行克隆测序后
发现, 小穗数多的亲本为H2 (140
T
+115
insertion
), 小穗
数少的亲本为H1 (140
G
+115
deletion
)
[22]
。因此, 我们对
鉴定到的H3 (140
G
+115
insertion
)和H4 (140
T
+115
deletion
)
共计34份材料中的D778 (H3)、D627 (H3)、D91 (H4)
和D235 (H4)进行了的F-box区域140
G/T
和启动子的
分离, 验证是否确实存在第4种单倍型H4, 克隆测
序的结果显示, 4个材料的单倍型分型正确, 证实确
实存在第4种单倍型H4 (图3)。
为了探究到底是启动子的插入缺失还是F-box蛋
白区域的140
G/T
SNP影响了小麦每穗小穗数, 我们根
据启动子和SNP的分型结果并结合表型数据对4种单
倍型的每穗小穗数进行了显著性差异分析, 结果表明
H2 (140
T
+115
insertion
)和H4 (140
T
+115
deletion
)的每穗小穗
数显著高于H1 (140
G
+115
deletion
)和H3 (140
G
+115
insertion
)
(图4)。此外, 在H1和H3之间, 我们发现H3的小穗
数显著高于H1, 而H2和H4之间的差异不显著(图4),
因此我们认为140
T
即为优异单倍型(H2和H4), 能够
提高小麦每穗小穗数。由于使用KASP-GT-WAPO1即
可鉴定出优异单倍型, 因此我们后续仅使用了
KASP-GT-WAPO1对223份世界小麦、144份中国育成
小麦和119份四川小麦进行了基因分型。
2.2.2 WAPO1基因SNP和启动子插入缺失在小麦
族材料中的分析 为了探究麦类作物中WAPO1
基因F-box蛋白内140
G/T
的SNP突变和启动子插入
缺失情况, 我们利用小麦多组学网站和
图2 WAPO1基因在不同群体中的分型结果
Fig. 2 Genotyping of WAPO1 gene in different populations
中国地方小麦(a)、四川小麦(c)、世界小麦及中国育成小麦(d)的KASP分型结果; 蓝色方框为携带140
G
的等位基因(HEX荧光基团); 橙
色圆框为携带的140
T
等位基因(FAM荧光基团); 黑点为空白对照; (b)为中国地方小麦的启动子分型结果; M为marker, 表示分子量;
1~7为启动子115
insertion
的中国地方小麦; 8, 9为启动子115
deletion
的中国地方小麦。
Kompetitive Allele Specific PCR (KASP) genotyping results of WAPO1 in Chinese wheat landraces (a), Sichuan wheat varieties (c), world
wheat varieties and Chinese wheat varieties/lines (d); blue box represents lines carrying the allele of 140
G
(HEX fluorescence); orange frame
represents lines carrying the allele of 140
T
(FAM fluorescence); black dots are blank controls; promoter genotyping results of WAPO1 in
Chinese wheat landraces (b); M represents markers for DNA Ladder; 1−7 represent 115
insertion
lines and 8 and 9 represent 115
deletion
lines.
第
9
期
丁浦洋等: 小麦小穗数调控基因WAPO1的单倍型、遗传效应、地理分布及育种利用分析
2203
图3 中国地方小麦中部分材料的WAPO1基因克隆和启动子克隆及其测序比对
Fig. 3 Cloning and sequencing of WAPO1 and promoter in Chinese wheat landraces lines
(a) 和(b) 分别为D778和D91的WAPO1基因克隆和启动子克隆; 1~3为D778的3个重复对照; 4~6为D91的3个重复对照; M为Marker
表示分子量; (c) 为D778、D627、D91和D235的WAPO1基因克隆测序结果; 红框部分为F-box的140
G/T
位点; (d) 为D778、D627、
D91和D235的WAPO1启动子克隆测序结果; 红框部分为启动子的115
insertion/deletion
部分; 参考序列为中国春参考基因组。
(a) and (b) are WAPO1 and promoter clones of D778 and D91, respectively; 1–3 were three replicates of D778; 4–6 were three replicates of
D91; M represents markers for DNA ladder; (c) is WAPO1 sequencing results of D778, D627, D91, and D235, and red box is the F-box 140
G/T
;
(d) is promoter sequencing results of D778, D627, D91, and D235, and red box is the 115
insertion/deletion
; the reference sequence is the Chinese
Spring reference genome.
明存在140
G/T
和115
insertion/deletion
。在四倍体小麦中
发现存在H1和H3两种单倍型, 表明存在140
G
和
115
insertion/deletion
。而在二倍体小麦中, 其启动子区域
没有检测到115 bp的插入缺失且F-box区域的等位
位点也均为140
G
(附图2)。
图4 中国地方小麦中4种单倍型的每穗小穗数显著性分析
Fig. 4 SNS significance analysis of four haplotypes in Chinese
wheat landraces
SNS为每穗小穗数(spikelet number per spike); H1、H2、H3和
H4代表单倍型1、单倍型2、单倍型3和单倍型4; *表示P < 0.05;
**表示P < 0.01; 箱线图上方数值代表差2组材料的差异值。
SNS represents spikelet number per spike; H1, H2, H3, and H4
represent haplotype 1, haplotype 2, haplotype 3, and haplotype 4,
respectively. *: P < 0.05; **: P < 0.01. Values above the boxplot
represent the difference between the two groups of materials.
EmsenblPlants对WAPO1基因及其启动子在六倍体、
四倍体及二倍体小麦、大麦、青稞和黑麦等材料的
序列进行搜集, 并进行比对。结果表明, 在调查的
六倍体小麦中仅存在H1、H2和H3三种单倍型, 表
2.3 WAPO1基因在小麦种质资源中的分析
2.3.1 WAPO1基因对四川小麦和中国地方小麦农
艺性状的影响 由于F-box的SNP分型为T型被
鉴定为优异单倍型(H2和H4), 因此我们利用中国地
方小麦的分型结果, 将H2和H4两个优异单倍型划
分为A组, H1和H3为B组, 结合其表型数据对其
各个农艺性状进行了差异检测。结果显示每穗小穗
数、粒长、千粒重、株高和开花期检测到显著性差
异, 其中A组的每穗小穗数、株高和开花期均较高
而粒长与千粒重则较低(图5)。
同样的, 我们使用KASP-GT-WAPO1对119份四
川小麦进行分型, 也划分为A、B两组(图2-c和附
表4)并结合其表型数据进行显著性分析, 与中国地
方小麦的结果类似, 在119份四川小麦的2年表型
数据中同样检测到每穗小穗数、穗长和千粒重检测
到显著性差异, A组的每穗小穗数、穗长均较高而千
粒重则较低(图6)。
2204
作 物 学 报
第48卷
图5 中国地方小麦农艺性状的显著性分析
Fig. 5 Significance analysis of agronomic traits in Chinese wheat landraces
TN、SNS、GL、GW、TGW、PH和FP分别表示分蘖数、每穗小穗数、粒长、粒宽、千粒重、株高和开花期; Group A代表优异单倍
型H2和H4; Group B代表单倍型H1和H3; *表示P < 0.05; **表示P < 0.01; 箱线图上方数值代表差2组材料的差异值。
TN, SNS, GL, GW, TGW, PH, and FP represent tiller number, spikelet number per spike, grain length, grain width, thousand-grain weight,
plant height, and flowering period, respectively; Group A represents superior haplotypes H2 and H4 and Group B represents haplotypes H1
and H3; *: P < 0.05; **: P < 0.01. Values above the boxplot represent the difference between the two groups of materials.
图6 四川小麦农艺性状的显著性分析
Fig. 6 Significance analysis of agronomic traits in Sichuan wheat varieties
SL、SNS和TGW分别表示穗长、每穗小穗数和千粒重; Group A代表优异单倍型H2和H4; Group B代表单倍型H1和H3; *表示P <
0.05; **表示P < 0.01; 箱线图上方数值代表差2组材料的差异值; 2017CZ和2018CZ分别为2017年和2018年崇州的表型数据; 箱线
图上方数值代表差2组材料的差异值。
SL, SNS and TGW represent spike length, spikelet number per spike, and thousand-grain weight, respectively; Group A represents superior hap-
lotypes H2 and H4 and Group B represents haplotypes H1 and H3. *: P < 0.05; **: P < 0.01. Values above the boxplot represent the difference
between the two groups of materials. 2017CZ and 2018CZ represent the phenotypic data of Chongzhou in 2017 and 2018, respectively.
第
9
期
丁浦洋等: 小麦小穗数调控基因WAPO1的单倍型、遗传效应、地理分布及育种利用分析
2205
同时, 由于中国小麦分布地区十分广泛, 各地
的气候类型及相关的生成水平和管理技术存在差异,
因此中国小麦也被划分为10个麦区, 即北部冬(秋
播)麦区Northern winter (autumn sowing) wheat area
(I)、黄淮冬(秋播)麦区Huang-Huai winter (autumn
sowing) wheat area (II)、长江中下游冬(秋播)麦区
Yangtze River winter (autumn sowing) wheat area
(III)、华南冬(晚秋播)麦区 South China winter (late
autumn sowing) wheat area (IV)、西南冬(秋播)麦区
Southwest winter (autumn sowing) wheat area (V)、东
北春(播)麦区Northeast spring wheat area (VI)、北部
春(播)麦区 Northern spring wheat area (VII)、西北春
(播)麦区Northwest spring wheat area (VIII)、青藏春
冬兼播麦区Qinghai-Tibet spring-winter wheat area
(IX)和新疆冬春兼播麦区Xinjiang winter-spring
wheat area (X)
[27]
材料分别来自新疆冬春兼播麦区、长江中下游冬(秋
播)麦区和东北春(播)麦区, 其每穗小穗数最高可达
27.36, 最低为22.83 (附表1)。同样的, 我们将4种
单倍型分为A、B两组, 并进行了显著性分析, 结果
表明在北部冬(秋播)麦区、华南冬(晚秋播)麦区、黄
淮冬(秋播)麦区、新疆冬春兼播麦区和长江中下游冬
(秋播)麦区中在所调查的农艺性状中差异均不显著。
在北部春(播)麦区仅检测到每穗小穗数的显著性差
异, A组的每穗小穗数较多。在青藏春冬兼播麦区检
测到每穗小穗数和穗长的显著性差异, 同样的为
A
组每穗小穗数和穗长较高。而西南冬(秋播)麦区中检
测到了分蘖数、每穗小穗数、穗长、粒长、千粒重、
粒宽和开花期这7个农艺性状的显著性差异, 其中
分蘖数、每穗小穗数、穗长和开花期在A组中均较
高, 而粒长、粒宽和千粒重则较低(附表6)。
2.3.2 WAPO1基因在育种中利用情况和分布鉴定
为了探究WAPO1基因的优异单倍型(即A组)
在中国和全球的分布情况, 我们通过KASP-GT-
WAPO1分别对144份中国育成小麦和223份世界小
麦进行基因分型(图2-d)。除北部春(播)麦区、华南
冬(晚秋播)麦区、青藏春冬兼播麦区、西北春(播)麦
区和新疆冬春兼播麦区这5个麦区本课题组未能搜
集到这些麦区的材料而无法进行分型鉴定外, 在其
他的5个麦区中: 西南冬(秋播)麦区中A组材料数量
较少仅占总数的36.51%, 而其他4个麦区鉴定到的A
组材料占比均在70%以上(图7-a和附表3)。在全球
。我们根据麦区划分的结果, 进一
步对中国地方小麦各个麦区中WAPO1基因的单倍
型分布进行了鉴定, 结果显示在西北春播麦区中的
材料均为H2 (140
+115
Tinsertion
), 在新疆冬春兼播麦
区为H1 (140
G
+115
deletion
)和H2 (140
T
+115
insertion
)均占
37.5%, 而H3 (140
G
+115
insertion
)和H4 (140
T
+115
deletion
)
均占12.5%, 在其余8个麦区中H2在4种单倍型中
均为最多(附图3)。此外, 由于H4单倍型属于稀有
单倍型, 我们对鉴定到的8个H4材料进一步进行了
分析, 结果表明其中3个材料来源于青藏春冬兼播
麦区, 2个材料来源于黄淮冬(秋播)麦区, 其他3个
图7 单倍型在中国育成小麦品种和世界小麦的分布
Fig. 7 Geographical distribution of haplotypes in Chinese wheat varieties/lines and world wheat varieties
Group A代表优异单倍型H2和H4; Group B代表单倍型H1和H3; I为北部冬(秋播)麦区; II为黄淮冬(秋播)麦区; III为长江中下游冬(秋
播)麦区; V为西南冬(秋播)麦区; VI为东北春(播)麦区。
Group A represents superior haplotypes H2 and H4 and Group B represents haplotypes H1 and H3; I is Northern winter (autumn sowing)
wheat area; II is Huang-Huai winter (autumn sowing) wheat area; III is Yangtze River winter (autumn sowing) wheat area; V is Southwest
winter (autumn sowing) wheat area; VI is Northeast spring wheat area.
2206 作 物 学 报
第48卷
6个大洲(除南极洲外)的分析结果表明, 南美洲和非
洲鉴定到的A组材料少于B组, 分别占其总数的
45.45%和30%, 而其他4个大洲优异单倍型材料数
量均较多, 其中北美洲鉴定到的A组材料占比达
88.89% (图7-b和附表2)。
3 讨论
3.1 WAPO1基因F-box区域内的SNP是影响小
麦每穗小穗数的关键
一般来说, 高度保守的结构域通常被认为在相
应蛋白的功能中起关键作用, 例如水稻中GW2编码
E3 RING连接酶调控籽粒发育和大小, 而在小麦中
的直系同源基因TaGW2-A同样编码E3 RING泛素
连接酶且调控籽粒大小
[31-32]
。而在保守域的突变往
往导致功能的改变, 例如大麦中控制棱型的Vrs3
其保守结构域发生了一系列突变, 影响侧穗发育数
量
[33-34]
。本研究鉴定到WAPO1的基因和蛋白结构
在所研究的物种中高度保守, 均编码一个F-box蛋
白, 而F-box蛋白是植物中最大和最多样化的基因
家族之一
[35-36]
, F-box蛋白在许多细胞过程发挥作
用, 包括细胞周期、胚胎的起始、花器官发育和各
种信号转导途径
[17,37-39]
。在水稻中, APO1基因编码
F-box蛋白与花器官特性和花确定性的调控有关,
通过抑制花序分生组织向小穗分生组织的早熟转
化, 正向调控小穗数
[19-20]
; 在拟南芥中UFO基因编
码F-box蛋白在拟南芥中对花器官具有调控作用,
包括影响次级花序数量等
[17-18]
。因此, WAPO1在小
麦和大麦中可能具有与水稻和拟南芥相似的功能,
而先前的研究在六倍体小麦中鉴定到编码F-box蛋
白区域内存在140
G/T
的突变, 使得氨基酸(C→F)发
生了改变
[6,14,22]
, 这很可能是影响表型发生改变的
关键。对中国地方小麦中鉴定到的4种单倍型进行
深入分析后, 结果表明H2 (140
T
+115
insertion
)和H4
(140
T
+115
deletion
)的每穗小穗数显著高于H1 (140
G
+
115
deletion
)和H3 (140
G
+115
insertion
)。该结果同样说明了
编码F-box蛋白区域内的SNP可能是造成表型发生变
化的关键, 此结果为WAPO1的功能解析提供了参考。
3.2 WAPO1基因启动子区域内的插入缺失可能
会影响基因的表达
WAPO1基因115 bp插入缺失片段包含
GATABOX、RHERPATEXPA7、SORLIP1AT、
POLLEN1LELAT52、DOFCOREZM和GT1CONS-
ENSUS这6个作用元件。而GT1CONSENSUS、
SORLIP1AT和POLLEN1LELAT52分别是许多光调
节基因中保守的GT-1结合位点
[40-41]
、拟南芥光诱导
启动子
[42-43]
和番茄花粉特异激活调控元件之一
[44-45]
,
这些元件的缺失可能会导致基因的表达发生改变。
我们在中国地方小麦对4种单倍型的每穗小穗
数也进行了显著性分析。结果表明, H2 (140
T
+
115
insertion
)和H4 (140
T
+115
deletion
)的每穗小穗数最高,
且2种单倍型之间差异不显著。但在H3 (140
G
+
115
insertion
)和H1 (140
G
+115
deletion
)之间, 我们发现启
动子没有缺失的H3的小穗数显著高于H1, 且2个
单倍型均显著低于H2和H4 (图5)。因此我们猜测,
在F-box的SNP为140
T
时, 每穗小穗数主要受到
F-box蛋白的调控而启动子的插入缺失不影响每穗小
穗数; 但当SNP为140
G
时, F-box蛋白的突变使小穗
数降低并且启动子的缺失会进一步降低每穗小穗数。
3.3 WAPO1基因F-box区域内的SNP和启动子
的插入缺失可能是在小麦进化过程中发生了改变
对WAPO1基因及其启动子在六倍体、四倍体及
二倍体小麦、大麦、青稞和黑麦等材料中的序列比
对后发现, 所收集到的六倍体小麦序列中存在H1、
H2和H3三种单倍型, 表明存在140
G/T
和115
inser-
tion/deletion
。而在四倍体小麦中仅存在H1和H3两种
单倍型, 表明存在140
G
和115
insertion/deletion
, 而Kuzay
等
[6]
的研究结果表明四倍体小麦中还存在数量稀少
的H2单倍型, 即四倍体中也存在140
G/T
, 我们仅搜
集到4个四倍体小麦的序列进行比对分析, 这可能
是与Kuzay等
[6]
不一致的原因。在二倍体小麦及其
他小麦族材料中, 其F-box区域的等位位点均为
140
G
, 而启动子没有所报道的115 bp的插入缺失。
结合本实验的分析和前人的研究结果
[6]
, 我们发现
二倍体小麦中启动子没有所报道的115 bp的插入
缺失, 而在四倍体小麦与六倍体小麦中存在F-box
区域的140
G/T
和启动子115
insertion/deletion
, 而据前人
报道, 基因组加倍会引起强烈的变异, 使得细胞内
稳态、基因的表达和代谢通路等受到影响, 甚至引
起部分基因的激活或沉默
[46-48]
。因此我们推测, 小
麦二倍体异源四倍化事件引起了启动子的插入缺
失差异和F-box区域的140
G/T
变异。此外, H2单倍
型在四倍体小麦中频率很低, 到六倍体小麦该单倍
型被富集, 可能是在育种过程中被逐渐人为选育的
结果, 从而成为主要的育种可用的单倍型。这些结
果对后续探究WAPO1在小麦的进化和驯化奠定了
基础。
第
9
期
丁浦洋等: 小麦小穗数调控基因WAPO1的单倍型、遗传效应、地理分布及育种利用分析
2207
3.4 WAPO1基因的优异单倍型材料在育种中被
大量选育
我们利用WAPO1的启动子InDel标记和
KASP-GT-WAPO1标记对769份中国地方小麦进行
基因分型并结合其表型数据, 鉴定到4种单倍型
(H1、H2、H3和H4)与其中的2个优异单倍型(H2
和H4), 并将优异单倍型H2和H4划分为A组, H1
和H3划分为B组。通过KASP-GT-WAPO1对223
份世界小麦、144份中国育成小麦和119份四川小麦
进行分型, 鉴定优异单倍型并进行显著性分析, 进
一步探究WAPO1基因的优异单倍型在育种过程中
的利用和分布情况。结果表明在四川小麦和中国地
方小麦中, 优异单倍型材料的小穗数分别显著增加
4.42%和7.45%, 而在世界小麦和中国育成小麦中,
携带WAPO1的材料也被大量选育, 分别达到
53.77%和56.68%。值得注意的是, 在中国10个麦区
进行显著性检测时发现, 仅在北部春(播)麦区、青藏
春冬兼播麦区和西南冬(秋播)麦区检测到了每穗小
穗数的显著性差异, 而在其他7个麦区中的差异则
不显著(附表6)。我们前期的研究中
, 也发现该位点
可能会受到其他主效小穗数位点的影响, 存在被掩
盖的情况
[22]
。中国地方小麦中每穗小穗数的位点并
不仅仅只受到WAPO1一个位点的影响, 还可能存在
多个位点共同发生作用, 从而提高小麦小穗数, 因
此, WAPO1可能在不同的遗传背景下被其他主效位
点掩盖
[49-51]
。此外, 由于各个麦区的气候类型差异
较大, 选育方式也各不相同, 例如西南冬(秋播)麦区,
其冬季气侯温和, 夏季温度不高且雨多、雾大、晴
天少、日照不足, 季节间温度变化较小, 昼夜温差较
大, 为春性小麦秋冬播和形成大穗创造了有利条件,
因此, 西南冬(秋播)麦区选育以大穗材料为主。而我
国的主要小麦产区河南、山东、河北(石家庄以南)
等地均隶属于黄淮冬(秋播)麦区, 其面积和总产量
在各麦区中均居第一, 该区以冬性和弱冬性小麦为
主因此该区选育以多分蘖数/穗数材料为主
[27]
, 因此
环境的影响也可能是表型差异不显著的原因。单株
穗数、穗粒数和粒重是3个重要的要素, 也是育种
改良的重要目标。目前, 通过提高小麦每穗小穗数
来提高小麦籽粒产量仍是小麦育种中关键的任务,
鉴定相关基因是实现这一目标的重要途径。WAPO1
基因的优异单倍型对提高小麦每穗小穗数具有促进
作用, 因此, 可用于小麦的育种改良, 对小麦高产
品种的选育具有重要意义。
4 结论
通过对水稻APO1在小麦中的直系同源基因
WAPO1的结构、表达以及启动子的顺式元件的分
析, 对鉴定到的F-box区域140
G/T
SNP开发了
KASP标记并结合前人开发的WAPO1启动子InDel
标记对中国地方小麦进行了分型, 并鉴定到第4种
单倍型H4和2种优异单倍型(H2和H4)。通过开发
的KASP标记对世界小麦、中国育成小麦和四川小
麦进行了分型, 对优异单倍型在育种中的利用和分
布进行了鉴定。
附表和附图 请见网络版: 1) 本刊网站zwxb.
/; 2) 中国知网/;
3) 万方数据/Periodical-
。
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作物学报
ACTA
AGRONOMICA
SINICA 2022, 48(9): 21962209 /
ISSN 0496-3490; CN 11-1809/S; CODEN TSHPA9 E-mail:***************
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2022.11078
小麦小穗数调控基因WAPO1的单倍型、遗传效应、地理分布及育种
利用分析
丁浦洋
1,**
周界光
1,**
赵聪豪
1
唐华苹
1
牟 杨
1
唐力为
2
邓 梅
1
魏育明
1
兰秀锦
1
马 建
1,*
1 2
四川农业大学小麦研究所, 四川成都 611130;
攀枝花市农林科学研究院, 四川攀枝花 617061
摘 要: 小麦穗部性状直接与产量相关, 是极重要的农艺性状。WAPO1编码F-box蛋白, 是水稻小穗数发育相关基
因APO1在小麦中的直系同源基因。本研究鉴定了WAPO1的优异单倍型, 并对其遗传效应、地理分布和育种利用情
况进行了鉴定。通过开发的KASP标记对编码区第140位碱基变异SNP(G/T)进行鉴定, 并使用前人报道的启动子
InDel标记对WAPO1启动子115 bp的插入缺失进行鉴定, 在中国地方小麦中进行单倍型鉴定。结果显示, 在前人鉴
定到的3种单倍型(H1: 140
G
+115
deletion
, H2: 140
T
+115
insertion
, H3: 140
G
+115
insertion
)基础上, 鉴定到了新的第4种单倍型
(H4: 140
T
+115
deletion
)并证明H2和H4为优异单倍型, 能显著提高小麦每穗小穗数。将开发的KASP标记对223份世
界小麦、144份中国育成小麦和119份四川小麦进行分型, 筛选出优异单倍型并对其在育种中的利用和分布进行了鉴
定, 结果表明优异单倍型在中国和世界范围都被广泛选育。
关键词:
WAPO1; 每穗小穗数; 优异单倍型; 地理分布; 育种利用
Dissection of haplotypes, geographical distribution and breeding utilization of
WAPO1 associated with spike development in wheat
DING Pu-Yang
1,**
, ZHOU Jie-Guang
1,**
, ZHAO Cong-Hao
1
, TANG Hua-Ping
1
, MU Yang
1
, TANG Li-Wei
2
,
DENG Mei
1
, WEI Yu-Ming
1
, LAN Xiu-Jin
1
, and MA Jian
1,*
1
Triticeae Research Institute, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, Sichuan, China;
2
Panzhihua Academy of Agricultural and Forestry
Sciences, Panzhihua 617061, Sichuan, China
Abstract: Wheat is one of the most important crops, and spike is an important trait affecting yield. WAPO1, encoding an F-box
protein, is an ortholog of rice APO1 in wheat. In this study, superior haplotypes of WAPO1 were identified and their genetic ef-
fects, geographical distribution, and breeding utilization were further analyzed. The SNP (G/T) in F-box region was identified by
using the developed KASP marker and 115 bp insertion/deletion of promoter was identified to analyze the haplotypes by the re-
ported InDel marker in Chinese wheat landraces. In addition to the previously identified three haplotypes (H1: 140
G
+115
deletion
, H2:
140
T
+115
insertion
, and H3: 140
G
+115
insertion
), we identified a new and fourth haplotype (H4: 140
T
+115
deletion
) and proved that H2 and
H4 were superior haplotypes, which could significantly increase spikelet number per spike in wheat. The KASP marker was also
used to identify the superior haplotypes of Chinese wheat varieties/lines, Sichuan wheat varieties and world wheat varieties, and to
explore their distribution and breeding utilization. The results reveal that the superior haplotypes are widely selected and bred in
China and the world.
Keywords: WAPO1; spikelet number per spike; superior haplotypes; geographical distribution; breeding utilization
本研究由四川省应用基础研究计划项目(2020YJ0140, 2021YJ0503)和四川省国际合作交流项目(2021YFH0083)资助。
This study was supported by the Applied Basic Research Programs of Science and Technology Department of Sichuan Province (2020YJ0140,
2021YJ0503) and the International Cooperation and Exchanges Program of Science and Technology (2021YFH0083).
*
通信作者(Corresponding author): 马建,E-mail:****************.cn
同等贡献(Contributed equally to this work)
**
第一作者联系方式: 丁浦洋,E-mail:****************;周界光,E-mail:****************
Received (收稿日期): 2021-09-04; Accepted (接受日期): 2021-11-29; Published online (网络出版日期): 2021-12-27.
URL: /kcms/detail/
第
9
期
丁浦洋等: 小麦小穗数调控基因WAPO1的单倍型、遗传效应、地理分布及育种利用分析
2197
联合国粮食及农业组织(FAO)在2018年曾指出,
到2050年, 世界人口将增加34%, 而粮食产量需较
当前提高70%才能满足人们的需求()。
而根据国家统计局的统计报告显示, 我国2019和
2020年的粮食总产量的增加均为0.9% (.
), 这使得我国将面临巨大的粮食缺口。普通
小麦(AABBDD, Triticum aestivum L.)作为三大作物
之一, 也是世界上最重要的粮食作物。小麦的产量
三要素由单位面积穗数、每穗粒数和粒重构成, 其
穗部结构直接决定了小麦的产量, 是一个关键的农
艺性状, 而每穗小穗数与每穗粒数密切相关, 可以
通过提高每穗小穗数来提高小麦产量
[1-4]
。
小麦穗的每个穗轴上着生着无梗小穗, 每个小
穗上又能形成多个小花, 每个小穗一般形成3个左
右可育小花, 每穗小穗数在小穗分生组织完成顶端
小穗的分化时就已经确定
[5-7]
。但小麦每穗小穗数又
会受到多种因素的调控, 包括温度、光照时间和强
度等, 同时小麦中一些基因也会影响每穗小穗数,
如玉米tb1的直系同源基因TEOSINTE BRANCHED1
(TB1)
[8]
、水稻FRIZZY PANICLE (FZP)的直系同源基
因(WFZP)
[2,5,9]
、光周期基因PHOTOPERIOD
RESPONSE locus (Ppd-1)
[10]
、春化基因VRN
[11-12]
、
开花期基因FT
[13]
、水稻ABERRANT PANICLE
ORGANIZATION 1 (APO1)的直系同源基因WAPO1
(TaAPO-A1)
[6,14]
和驯化基因Q
[15-16]
等。因此对不同
小麦种质资源中每穗小穗数的相关基因进行鉴定和
利用具有重要意义。
WAPO1是拟南芥UNUSUAL FLORAL ORGAN
(UFO)和水稻APO1的直系同源基因, UFO在拟南芥
中对花器官具有调控作用, 且该基因结构保守, 编
码一个保守的F-box蛋白
[17-18]
。APO1基因在水稻中
同样编码一个F-box蛋白并调节花序分生组织和小
穗分生组织, 对维持正常的花序结构和小穗数量具
有重要作用
[19-20]
。此前, Muqaddasi等
[14]
通过GWAS
鉴定到7AL染色体上WAPO1正向调控小麦每穗小
穗数, 并在WAPO1编码的F-box蛋白区域鉴定到非
同义突变(编码序列的第140位碱基G→T, 第47位
氨基酸C→F), 并将其分为了2种单倍型, 即140
G
和140
T
的单倍型。而Kuzay等
[6]
通过精细定位, 在
小麦7AL染色体上鉴定到正向调控每穗小穗数的候
选基因, 即WAPO1
。
与Muqaddasi等
[14]
结果不同的
是, Kuzay等
[6]
进一步将该基因启动子115 bp的插入
缺失与F-box的突变位点结合, 得到了3种单倍型,
即启动子存在缺失而等位位点为G碱基的单倍型1
(H1, 140
G
+115
deletion
)、启动子没有缺失而等位位点为
T碱基的单倍型2 (H2, 140
T
+115
insertion
)、启动子没有
缺失而等位位点为G碱基的单倍型3 (H3,
140
G
+115
insertion
), 且Kuzay等
[6]
的研究表明H2
(140
T
+115
insertion
)能够显著提高小麦小穗数, 是优异
单倍型, 有助于进一步提高小麦产量。此外,
Voss-Fels等
[21]
对220个冬小麦材料进行全基因组关
联分析后发现WAPO1是小麦7AL染色体上穗轴节
数(除复穗等特殊表型外, 可认为是每穗小穗数)位
点的候选基因。Voss-Fels等
[21]
进一步通过5个15K
SNP标记在全球范围内收集的大量四倍体和六倍体
小麦中进行单倍型分析, 在四倍体小麦和六倍体小
麦中分别鉴定到12种和8种单倍型(四倍体小麦的
12种单倍型中涵盖六倍体小麦的8种单倍型, 分别
为h1~h12), Voss-Fels等
[21]
将其中11种单倍型
(h1~h11)与Kuzay等
[6]
鉴定到的3单倍型(H1~H3)进
行比较均能对应, 但h12未能找到对应关系
[6,21]
。
本课题组在前期的研究中鉴定到一个位于小麦
7AL染色体上控制每穗小穗数的QTL (-
2SY-2D.1)
[22]
, 该区间包含了WAPO1, 我们在定位群
体的亲本中对该基因进行了分离, 测序结果显示,
该基因与前人报道的140
G/T
的SNP一致
[6,14]
, 因此
我们推测该位点极可能由WAPO1基因控制
[22]
。而
近期Kuzay等
[6]
在四倍体小麦中对WAPO1进行了新
的功能研究, 在四倍体小麦突变体和四倍体小麦转
基因材料中对A和B染色体中的WAPO1基因进行
了鉴定
[22]
。结果表明WAPO1在A、B染色体上的单
缺失突变体的每穗小穗数均显著低于野生型, 而A、
B染色体上的双缺失突变体的每穗小穗数则更低,
同时WAPO1的缺失会使得穗部和花结构异常, 造成
基部小穗雌蕊裸露和顶端小穗变小变密。Kuzay等
[6]
还通过转基因四倍体小麦对F-box区域碱基变异和
启动子插入缺失对表型的影响进行了分析, 研究表
明140
G/T
的SNP对每穗小穗数和抽穗期没有显著影
响, 而启动子的缺失则会影响穗在发育过程的表达,
从而减少每穗小穗数
[23]
。而对比已有研究, 我们发
现前人仅在四倍体小麦中对WAPO1功能进行了验
证, 而六倍体小麦中的相关研究仍然匮乏。考虑到
140
G/T
的SNP和启动子115
insertion/deletion
的插入缺失和
已有的3种单倍型以及Voss-Fels等
[21]
鉴定到的h12
未能与H1~H3相对应, 我们猜想是否存在第4种单
倍型(140
T
+115
deletion
), 以及该单倍型对是否影响小
2198 作 物 学 报
第48卷
麦小穗数。由于该基因对现代小麦的育种改良、选
育大穗高产小麦品种具有重要意义, 因此该基因在
六倍体小麦中对相关农艺性状的影响还需进一步的
分析。在此基础上, 我们通过鉴定到的F-box区域
140
G/T
SNP位点进行了KASP分子标记的开发, 并结
合前人开发的启动子InDel标记
[6]
对中国地方小麦
进行了分型, 确实发现了第4种单倍型(H4,
140
T
+115
deletion
)并得出H2和H4为优异单倍型。利
用KASP标记对中国育成的小麦品种/品系(以下简
称为中国育成小麦)、世界各地的小麦品种(以下简称
为世界小麦)和四川本地育成的小麦品种(以下简称
四川小麦)的优异单倍型进行了鉴定。对WAPO1基
因的优异单倍型在中国及世界范围内的育种利用与
分布进行了鉴定, 为探究该基因在育种过程中提高
每穗小穗数和产量的潜力奠定了基础。
1 材料与方法
1.1 植物材料
本试验所使用的材料包括769份中国地方小麦
(附表1)、223份世界小麦(附表2)、144份中国育成
小麦(附表3)和119份中国四川省小麦(附表4)。其
中223份世界小麦、144份中国育成小麦、119份四
川小麦和46份中国地方小麦由本课题组保存, 另外
723份中国地方小麦由Wang等
[24]
提供。723份中国
地方小麦于2012年种植于四川雅安(103°37′E,
22°42′N); 2013、2014和2015年种植于四川温江
(103°41′E, 30°36′N); 2014年和2015年种植于四川崇
州(103°39′E, 30°33′N), 其表型数据由Liu等
[25]
提
供。119份四川小麦品种植于2017年和2018年的四
川崇州(103°39′E, 30°33′N), 其表型由Cheng等
[26]
提
供。考虑到四川季节间温度变化较小, 昼夜温差较
大, 为春性小麦秋冬播种和形成大穗创造了有利条
件, 四川选育的小麦以大穗材料为主
[27]
, 因此我们
将四川小麦与中国育成小麦分开进行了分析。世界
小麦与中国育成小麦仅提取DNA用于基因分型未
进行表型鉴定。所有试验均采用随机区组设计, 每
行1.5 m, 行间30 cm, 每行种15粒种子, 所有田间
试验都按照当地标准进行灌溉和管理。
1.2 试剂
DNA聚合酶Phanta Max Super-Fidelity DNA
Polymerase、琼脂糖凝胶回收试剂盒购于南京诺唯赞
生物科技股份有限公司; KASP标记分型所用
AQP-SNP/InDel分型通用试剂盒购于北京嘉程生物
科技有限公司; 连接载体pMD19-T购于北京宝日医
生物技术有限公司; PCR引物合成及 DNA 测序由
北京擎科生物科技有限公司完成。
1.3 WAPO1基因的生物信息学分析
利用小麦多组学网站(202.194.139.32/)和
EmsenblPlants (/)搜
集六倍体、四倍体及二倍体小麦、大麦、水稻和玉
米等WAPO1直系同源基因及其启动子序列。参照前
人的方法
[28-29]
, 仅使用了基因上游1000 bp启动子
序列用于后续分析。将获得的直系同源基因序列与
其物理图谱进行比对, 确认它们的位置。采用
DNAman 6.0软件进行序列比对, 评估不同物种(包
括每个内含子和外显子)序列之间的相似性, 将其翻
译为氨基酸序列后, 上传至SMART网站进行蛋白
结构分析(/)。利用
PLACE (/PLACE/?action=
newplace)对WAPO1启动子中的顺式作用元件进行
分析。利用小麦多组学网站(202.194.139.32/)
进行WAPO1表达模式的鉴定。
1.4 WAPO1基因SNP位点的KASP标记开发及
分型
本试验采取CTAB法提取三叶期叶片的基因组
DNA
[30]
。根据前期已经鉴定到的SNP位点进行
KASP标记的开发, 该标记由3条引物组成, 包括2
条携带不同荧光基团的上引物和1条下引物, 具体
信息为携带FAM荧光基团的上引物F-FAM:
5′-GAAGGTGACCAAGTTCATGCTAAGGACGGCG
TCGGGAGGA-3′, 携带HEX荧光基团的上引物
F-HEX: 5′-GAAGGTCGGAGTCAACGGATTAAGG
ACGGCGTCGGGAGGC-3′和下引物R: 5′-CGCTG
CTGGACCGCGTGCT-3′, 所有引物序列均为5′到
3′。PCR体系(10 µL)为: 50 ng基因组DNA, 每条引
物各0.2 µmol L
–1
, HiGeno 2× Probe Mix 5 µL。反应
条件为94℃ 15 min, 94℃ 20 s和61℃ 1 min 10个循
环, 随后94℃ 20 s和55℃ 1 min 26个循环, 最后
37℃ 1 min读取荧光信号。利用开发的KASP标记
对中国地方小麦、世界小麦、中国育成小麦和四川
小麦进行了WAPO1 140
G/T
的SNP位点鉴定(图2-a, c,
d), 使用SPSS 18.0软件进行显著性检测, 并使用
Origin 2018软件进行箱线图的绘制。
1.5 WAPO1基因及其启动子的分离
参考前人对WAPO1启动子设计的分离引物
[6]
,
在定位群体亲本20828和SY95-71以及中国地方小
麦中进行启动子插入缺失的检测(图2-b), 并对部分
第
9
期
丁浦洋等: 小麦小穗数调控基因WAPO1的单倍型、遗传效应、地理分布及育种利用分析
2199
材料进行了WAPO1基因及其启动子的克隆, PCR体
系(50 µL)为: 100 ng基因组DNA、每条引物各0.2
Fidelity DNA Polymerase 5 µL、2× Phanta Max buffer
25 µL。反应条件为94℃ 5 min, 94℃ 15 s和61℃ 15
s和72℃ 1 min 35个循环, 最后72℃延伸5 min。
PCR产物在1.2%的琼脂糖凝胶上进行检测并使用琼
脂糖凝胶回收试剂盒进行产物回收纯化。回收的产
物用于基因克隆, 筛选出阳性克隆挑单菌送往北京
擎科生物科技有限公司进行测序。每个扩增产物进
行了3个重复并进行双向测序。
1-a)。通过序列比对, WAPO1-A与WAPO1-B和
WAPO1-D的gDNA序列相似性分别为88.1%和
性为91.16%。WAPO1-A与WAPO1-B和WAPO1-D
的CDS相似性分别为88.43%和96.98%, WAPO1-B
与WAPO1-D的CDS相似性为87.95%。
进一步通过BLAST分析其他物种中WAPO1的
直系同源基因, 将大麦、节节麦和野生二粒小麦上
的WAPO1基因命名为Hv-WAPO1、Ae-WAPO1-D
、
Tt-WAPO1-A和Tt-WAPO1-B (水稻和拟南芥则分别
使用原有名称APO1和UFO)。将各个物种中的
WAPO1基因序列与其物理图谱进行比对, 进而确认
其物理位置(图1-b)。将其编码的氨基酸序列进行蛋
白结构分析, 结果显示所有基因均编码一个保守的
F-box蛋白和5~6个低复杂度区域(图1-c)。
2.1.2 WAPO1基因启动子分析 将WAPO1-A
、
WAPO1-B和WAPO1-D的启动子在PLACE上进行
WAPO1-B不含顺式作用元件分析, 其中WAPO1-A
、
有5′UTR, 而WAPO1-D含有102 bp的5′UTR。在
WAPO1-A
、
WAPO1-B和WAPO1-D分别鉴定到65、
50和75个作用元件(附表5), 进一步分析发现, 其中
有27个作用元件是3个基因启动子所共有的, 可能
是WAPO1基因起调控作用的关键元件(表1)。将前
µmol L
–1
、dNTP 10 mmol L
–1
、Phanta Max Super-
88.56%, WAPO1-B与WAPO1-D的gDNA序列相似
2 结果与分析
2.1 WAPO1基因生物信息学分析
2.1.1 WAPO1基因序列分析 小麦WAPO1
(TraesCS7A02G481600)位于7AL染色体, 通过
BLAST分析, 得知其同源基因分别位于7BL (Traes
CS7B02G384000)和7DL (TraesCS7D02G468700)染
色体, 分别将A、B、D染色体上的WAPO1基因命
名为WAPO1-A
、
WAPO1-B和WAPO1-D。序列分析
显示, 3个基因均含有2个外显子和1个内含子, A、
B、D的gDNA全长分别为1.46、1.60和1.59 kb, CDS
(coding sequences)分别为1.32、1.45和1. 43 kb (图
图1 WAPO1基因的结构分析(a)、染色体定位(b)与蛋白结构分析(c)
Fig. 1 Gene structures (a), chromosomal locations (b), and protein structures (c) analysis of WAPO1
c: 中F-box为蛋白结构域; 紫色框为低复杂度区域。
Ta: Triticum aestivum; Tt: Triticum turgidum; Ae: Aegilops tauschii; Hv: Hordeum vulgare; Os: O. sativa; At: Arabidopsis thaliana; c: F-box
is the protein domain. Purple boxes represent low complexity regions.
2200
作 物 学 报
第48卷
表1 小麦共有的启动子顺式作用元件
Table 1 Common cis-acting elements of promoters in wheat
元件名称
Element name
核心序列
Core sequence
功能描述
Functional description
CaMV 35S启动子中的GATA motif, 与ASF-2结合
GATA motif in CaMV 35S promoter; binding with ASF-2
ARR1AT NGATT
NODCON2GM CTCTT
OSE2ROOTNODULE CTCTT
在拟南芥中的ARR1结合元件, ARR1是响应调节器
ARR1-binding element found in Arabidopsis; ARR1 is a response regulator
两个假定的结节蛋白共识序列之一
One of two putative nodulin consensus sequences
在根瘤感染细胞中激活的启动子的器官特异性元件的共识序列的motif之一
One of the consensus sequence motifs of organ-specific elements (OSE) charac-
teristic of the promoters activated in infected cells of root nodules
CAATBOX1 CAAT
GT1CONSENSUS GRWAAW
POLLEN1LELAT52 AGAAA
豌豆的legA基因中“CAAT启动子共识序列”
“CAAT promoter consensus sequence” found in legA gene of pea
许多光调节基因中共识的GT-1结合位点
Consensus GT-1 binding site in many light-regulated genes
番茄lat52基因的花粉特异激活的两个相互依赖的调控元件之一
One of two co-dependent regulatory elements responsible for pollen specific
activation of tomato (L.e.) lat52 gene
GTGANTG10 GTGA 烟草晚花粉基因g10的启动子种的GTGA基序, 该基序与果胶酸裂解酶同源,
并推测与番茄基因lat56同源
GTGA motif found in the promoter of the tobacco (N.t.) late pollen gene g10
which shows homology to pectate lyase and is the putative homologue of the
tomato gene lat56
DOFCOREZM AAAG
RAV1AAT CAACA
玉米中Dof蛋白结合所需的核心位点
Core site required for binding of Dof proteins in maize
拟南芥转录因子RAV1的共识结合序列, RAV1特异性结合DNA与RAV1-A
(CAACA)和RAV1-B (CACCTG)的两部分序列构成的motif
Binding consensus sequence of Arabidopsis transcription factor, RAV1; RAV1
specifically binds to DNA with bipartite sequence motifs of RAV1-A (CAACA)
and RAV1-B (CACCTG)
CCAATBOX1 CCAAT
EBOXBNNAPA CANNTG
MYCCONSENSUSAT CANNTG
真核生物基因5'-非编码区共有序列
Common sequence found in the 5'-non-coding regions of eukaryotic genes
甘蓝型油菜贮藏蛋白基因的E-box
E-box of napA storage-protein gene of Brassica napus
存在于脱水反应基因rd22启动子和其他拟南芥基因中的MYC识别位点
MYC recognition site found in the promoters of the dehydration-responsive gene
rd22 and many other genes in Arabidopsis
CACTFTPPCA1 YACT 四核苷酸(CACT)是C
4
双子叶植物F. trinervia磷酸烯醇丙酮酸羧化酶(ppcA1)
远端顺式调控元件Mem1的关键成分
Tetranucleotide (CACT) is a key component of Mem1 (mesophyll expression
module 1) found in the cis-regulatory element in the distal region of the phos-
phoenolpyruvate carboxylase (ppcA1) of the C
4
dicot F. trinervia
INRNTPSADB YTCANTYY 不含TATA boxes的烟草psaDb基因启动子中发现的Inr元件
Inr (initiator) elements found in the tobacco psaDb gene promoter without TATA
boxes
WRKY71OS TGAC 水稻WRKY71的结合位点, 是赤霉素信号通路的转录抑制因子
Binding site of rice WRKY71, a transcriptional repressor of the gibberellin sig-
naling pathway
WBOXATNPR1 TTGAC
WBOXNTERF3 TGACY
拟南芥NPR1基因启动子中发现的W-box
“W-box” found in promoter of Arabidopsis thaliana NPR1 gene
烟草转录抑制基因ERF3的启动子中发现的W-box
“W-box” found in the promoter region of a transcriptional repressor ERF3 gene in
tobacco
GATABOX GATA
第
9
期
丁浦洋等: 小麦小穗数调控基因WAPO1的单倍型、遗传效应、地理分布及育种利用分析
2201
(续表1)
元件名称
Element name
核心序列
Core sequence
功能描述
Functional description
拟南芥A7(AtEXPA7)同源基因中保留的RHEs的右侧部分来自不同被子植物
物种, 具有不同的毛发分布模式
Right part of RHEs (Root Hair-specific cis-elements) conserved among the
Arabidopsis thaliana A7 (AtEXPA7) orthologous (and paralogous) genes from
diverse angiosperm species with different hair distribution patterns
RHERPATEXPA7 KCACGW
PRECONSCRHSP70A SCGAYNRNNNNNNNN
NNNNNNNHD
CGACGOSAMY3 CGACG
衣藻HSP70A启动子中PRE的共识序列
Consensus sequence of PRE (plastid response element) in the promoters of
HSP70A in Chlamydomonas
存在于水稻Amy3D和Amy3E淀粉酶基因GC富集区域的CGACG元件, 但不
存在于Amy3E基因中, 可作为G box元件的耦合元件
CGACG element found in the GC-rich regions of the rice Amy3D and Amy3E
amylase genes, but not in Amy3E gene; may function as a coupling element for
the G box element
ACGTATERD1 ACGT 拟南芥黄化诱导erd1表达所需的ACGT序列(–155~ –152)
ACGT sequence (from –155 to –152) required for etiolation-induced expression of
erd1 (early responsive to dehydration) in Arabidopsis
SORLIP1AT GCCAC 拟南芥中光诱导启动子的过度表达序列之一
One of sequences over-represented in light-induced promoters (SORLIPs) in
Arabidopsis
DPBFCOREDCDC3 ACACNNG DPBF-1和2核心结合序列是一类新的bZIP转录因子
A novel class of bZIP transcription factors, DPBF-1 and 2 (Dc3 promoter-binding
factor-1 and 2) binding core sequence
GT1GMSCAM4 GAAAAA 大豆CaM亚型SCaM-4启动子中发现的GT-1 motif, 在病原体和盐诱导的
SCaM-4基因表达中发挥作用
GT-1 motif found in the promoter of soybean (Glycine max) CaM isoform,
SCaM-4; plays a role in pathogen- and salt-induced SCaM-4 gene expression
SEF4MOTIFGM7S RTTTTTR SEF4结合位点, 在beta-conglycinin基因(Gmg17.1) 5'上游区域(−199)发现的大
豆共识序列, 与SEF4结合
SEF4 binding site; soybean consensus sequence found in 5' upstream region (–199)
of beta-conglycinin (7S globulin) gene (Gmg17.1); “Binding with SEF4 (soybean
embryo factor 4)”
CURECORECR GTAC GTAC是在衣藻Cyc6和Cpx1基因中发现的CuRE核心
GTAC is the core of a CuRE (copper-response element) found in Cyc6 and Cpx1
genes in Chlamydomonas
加粗显示的元件为涉及115 bp插入缺失的启动子元件。
The promoter elements involving 115
insertion/deletion
were shown in bold.
人报道
[6]
的WAPO1启动子115 bp的插入缺失位置与
本文鉴定到的顺式作用元件进行比对后发现,
GATABOX、RHERPATEXPA7、SORLIP1AT、
POLLEN1LELAT52、DOFCOREZM和GT1CONSENSUS
这6个作用元件会受到插入缺失突变的影响。
2.1.3 WAPO1基因表达模式分析 对WAPO1-
A、WAPO1-B和WAPO1-D进行表达模式分析, 结果
表明WAPO1-A在幼穗发育到1 cm时的茎中表达量
最高, 其次为分蘖期的叶, 在穗发育到二棱期时也
有一定表达, 但在穗发育的后期和籽粒发育的所有
阶段均没有表达。与WAPO1-A类似的是, WAPO1-B
和WAPO1-D均在幼穗发育到1 cm时的茎中表达量
最高, 其中WAPO1-B的表达量最高, 其次是
WAPO1-D, 而WAPO1-A在3个基因中表达量最低。
但不同的是, WAPO1-B和WAPO1-D在穗发育的后
期和籽粒发育的早期阶段还有表达, 且WAPO1-D
在籽粒发育的早期表达量较高仅次于幼穗发育到1
cm时的茎, 因此小麦中WAPO1 3个基因在表达模
式上存在一定差异(附图1)。
2.2 WAPO1基因F-box区域内SNP和启动子插
入缺失的分析
2.2.1 WAPO1基因F-box区域内SNP和启动子插
入缺失对表型影响 基于已获得的F-box区域
140
G/T
的SNP, 对该位点进行分子标记的开发, 成功
2202
作 物 学 报
第48卷
开发出KASP标记KASP-GT-WAPO1。基于前期已有
的研究
[6]
, WAPO1被分为了3种单倍型(H1、H2和
H3), 我们提取了769份中国地方小麦的DNA, 通过
KASP-GT-WAPO1与前人报道的启动子InDel标记
[6]
对这些材料进行了分型(图2-a, b), 对其启动子和
SNP进行了鉴定。结果表明, H1、H2和H3的数量
分别为50、573和26, 在中国地方小麦中分别占比
6.5%、74.51%和3.38%。而在这3种单倍型的基础
上, 我们还发现了8个材料为第4种单倍型(H4,
140
T
+115
deletion
), 仅占中国地方小麦1.04%, 属于稀
有单倍型, 其启动子存在缺失而F-box蛋白的SNP
碱基为T (附表1)。结合Voss-Fels等
[21]
的研究结果,
我们推测本研究中鉴定到的H4单倍型, 很可能与
Voss-Fels等
[21]
鉴定到的h12单倍型对应。
前期, 我们对定位群体的亲本进行克隆测序后
发现, 小穗数多的亲本为H2 (140
T
+115
insertion
), 小穗
数少的亲本为H1 (140
G
+115
deletion
)
[22]
。因此, 我们对
鉴定到的H3 (140
G
+115
insertion
)和H4 (140
T
+115
deletion
)
共计34份材料中的D778 (H3)、D627 (H3)、D91 (H4)
和D235 (H4)进行了的F-box区域140
G/T
和启动子的
分离, 验证是否确实存在第4种单倍型H4, 克隆测
序的结果显示, 4个材料的单倍型分型正确, 证实确
实存在第4种单倍型H4 (图3)。
为了探究到底是启动子的插入缺失还是F-box蛋
白区域的140
G/T
SNP影响了小麦每穗小穗数, 我们根
据启动子和SNP的分型结果并结合表型数据对4种单
倍型的每穗小穗数进行了显著性差异分析, 结果表明
H2 (140
T
+115
insertion
)和H4 (140
T
+115
deletion
)的每穗小穗
数显著高于H1 (140
G
+115
deletion
)和H3 (140
G
+115
insertion
)
(图4)。此外, 在H1和H3之间, 我们发现H3的小穗
数显著高于H1, 而H2和H4之间的差异不显著(图4),
因此我们认为140
T
即为优异单倍型(H2和H4), 能够
提高小麦每穗小穗数。由于使用KASP-GT-WAPO1即
可鉴定出优异单倍型, 因此我们后续仅使用了
KASP-GT-WAPO1对223份世界小麦、144份中国育成
小麦和119份四川小麦进行了基因分型。
2.2.2 WAPO1基因SNP和启动子插入缺失在小麦
族材料中的分析 为了探究麦类作物中WAPO1
基因F-box蛋白内140
G/T
的SNP突变和启动子插入
缺失情况, 我们利用小麦多组学网站和
图2 WAPO1基因在不同群体中的分型结果
Fig. 2 Genotyping of WAPO1 gene in different populations
中国地方小麦(a)、四川小麦(c)、世界小麦及中国育成小麦(d)的KASP分型结果; 蓝色方框为携带140
G
的等位基因(HEX荧光基团); 橙
色圆框为携带的140
T
等位基因(FAM荧光基团); 黑点为空白对照; (b)为中国地方小麦的启动子分型结果; M为marker, 表示分子量;
1~7为启动子115
insertion
的中国地方小麦; 8, 9为启动子115
deletion
的中国地方小麦。
Kompetitive Allele Specific PCR (KASP) genotyping results of WAPO1 in Chinese wheat landraces (a), Sichuan wheat varieties (c), world
wheat varieties and Chinese wheat varieties/lines (d); blue box represents lines carrying the allele of 140
G
(HEX fluorescence); orange frame
represents lines carrying the allele of 140
T
(FAM fluorescence); black dots are blank controls; promoter genotyping results of WAPO1 in
Chinese wheat landraces (b); M represents markers for DNA Ladder; 1−7 represent 115
insertion
lines and 8 and 9 represent 115
deletion
lines.
第
9
期
丁浦洋等: 小麦小穗数调控基因WAPO1的单倍型、遗传效应、地理分布及育种利用分析
2203
图3 中国地方小麦中部分材料的WAPO1基因克隆和启动子克隆及其测序比对
Fig. 3 Cloning and sequencing of WAPO1 and promoter in Chinese wheat landraces lines
(a) 和(b) 分别为D778和D91的WAPO1基因克隆和启动子克隆; 1~3为D778的3个重复对照; 4~6为D91的3个重复对照; M为Marker
表示分子量; (c) 为D778、D627、D91和D235的WAPO1基因克隆测序结果; 红框部分为F-box的140
G/T
位点; (d) 为D778、D627、
D91和D235的WAPO1启动子克隆测序结果; 红框部分为启动子的115
insertion/deletion
部分; 参考序列为中国春参考基因组。
(a) and (b) are WAPO1 and promoter clones of D778 and D91, respectively; 1–3 were three replicates of D778; 4–6 were three replicates of
D91; M represents markers for DNA ladder; (c) is WAPO1 sequencing results of D778, D627, D91, and D235, and red box is the F-box 140
G/T
;
(d) is promoter sequencing results of D778, D627, D91, and D235, and red box is the 115
insertion/deletion
; the reference sequence is the Chinese
Spring reference genome.
明存在140
G/T
和115
insertion/deletion
。在四倍体小麦中
发现存在H1和H3两种单倍型, 表明存在140
G
和
115
insertion/deletion
。而在二倍体小麦中, 其启动子区域
没有检测到115 bp的插入缺失且F-box区域的等位
位点也均为140
G
(附图2)。
图4 中国地方小麦中4种单倍型的每穗小穗数显著性分析
Fig. 4 SNS significance analysis of four haplotypes in Chinese
wheat landraces
SNS为每穗小穗数(spikelet number per spike); H1、H2、H3和
H4代表单倍型1、单倍型2、单倍型3和单倍型4; *表示P < 0.05;
**表示P < 0.01; 箱线图上方数值代表差2组材料的差异值。
SNS represents spikelet number per spike; H1, H2, H3, and H4
represent haplotype 1, haplotype 2, haplotype 3, and haplotype 4,
respectively. *: P < 0.05; **: P < 0.01. Values above the boxplot
represent the difference between the two groups of materials.
EmsenblPlants对WAPO1基因及其启动子在六倍体、
四倍体及二倍体小麦、大麦、青稞和黑麦等材料的
序列进行搜集, 并进行比对。结果表明, 在调查的
六倍体小麦中仅存在H1、H2和H3三种单倍型, 表
2.3 WAPO1基因在小麦种质资源中的分析
2.3.1 WAPO1基因对四川小麦和中国地方小麦农
艺性状的影响 由于F-box的SNP分型为T型被
鉴定为优异单倍型(H2和H4), 因此我们利用中国地
方小麦的分型结果, 将H2和H4两个优异单倍型划
分为A组, H1和H3为B组, 结合其表型数据对其
各个农艺性状进行了差异检测。结果显示每穗小穗
数、粒长、千粒重、株高和开花期检测到显著性差
异, 其中A组的每穗小穗数、株高和开花期均较高
而粒长与千粒重则较低(图5)。
同样的, 我们使用KASP-GT-WAPO1对119份四
川小麦进行分型, 也划分为A、B两组(图2-c和附
表4)并结合其表型数据进行显著性分析, 与中国地
方小麦的结果类似, 在119份四川小麦的2年表型
数据中同样检测到每穗小穗数、穗长和千粒重检测
到显著性差异, A组的每穗小穗数、穗长均较高而千
粒重则较低(图6)。
2204
作 物 学 报
第48卷
图5 中国地方小麦农艺性状的显著性分析
Fig. 5 Significance analysis of agronomic traits in Chinese wheat landraces
TN、SNS、GL、GW、TGW、PH和FP分别表示分蘖数、每穗小穗数、粒长、粒宽、千粒重、株高和开花期; Group A代表优异单倍
型H2和H4; Group B代表单倍型H1和H3; *表示P < 0.05; **表示P < 0.01; 箱线图上方数值代表差2组材料的差异值。
TN, SNS, GL, GW, TGW, PH, and FP represent tiller number, spikelet number per spike, grain length, grain width, thousand-grain weight,
plant height, and flowering period, respectively; Group A represents superior haplotypes H2 and H4 and Group B represents haplotypes H1
and H3; *: P < 0.05; **: P < 0.01. Values above the boxplot represent the difference between the two groups of materials.
图6 四川小麦农艺性状的显著性分析
Fig. 6 Significance analysis of agronomic traits in Sichuan wheat varieties
SL、SNS和TGW分别表示穗长、每穗小穗数和千粒重; Group A代表优异单倍型H2和H4; Group B代表单倍型H1和H3; *表示P <
0.05; **表示P < 0.01; 箱线图上方数值代表差2组材料的差异值; 2017CZ和2018CZ分别为2017年和2018年崇州的表型数据; 箱线
图上方数值代表差2组材料的差异值。
SL, SNS and TGW represent spike length, spikelet number per spike, and thousand-grain weight, respectively; Group A represents superior hap-
lotypes H2 and H4 and Group B represents haplotypes H1 and H3. *: P < 0.05; **: P < 0.01. Values above the boxplot represent the difference
between the two groups of materials. 2017CZ and 2018CZ represent the phenotypic data of Chongzhou in 2017 and 2018, respectively.
第
9
期
丁浦洋等: 小麦小穗数调控基因WAPO1的单倍型、遗传效应、地理分布及育种利用分析
2205
同时, 由于中国小麦分布地区十分广泛, 各地
的气候类型及相关的生成水平和管理技术存在差异,
因此中国小麦也被划分为10个麦区, 即北部冬(秋
播)麦区Northern winter (autumn sowing) wheat area
(I)、黄淮冬(秋播)麦区Huang-Huai winter (autumn
sowing) wheat area (II)、长江中下游冬(秋播)麦区
Yangtze River winter (autumn sowing) wheat area
(III)、华南冬(晚秋播)麦区 South China winter (late
autumn sowing) wheat area (IV)、西南冬(秋播)麦区
Southwest winter (autumn sowing) wheat area (V)、东
北春(播)麦区Northeast spring wheat area (VI)、北部
春(播)麦区 Northern spring wheat area (VII)、西北春
(播)麦区Northwest spring wheat area (VIII)、青藏春
冬兼播麦区Qinghai-Tibet spring-winter wheat area
(IX)和新疆冬春兼播麦区Xinjiang winter-spring
wheat area (X)
[27]
材料分别来自新疆冬春兼播麦区、长江中下游冬(秋
播)麦区和东北春(播)麦区, 其每穗小穗数最高可达
27.36, 最低为22.83 (附表1)。同样的, 我们将4种
单倍型分为A、B两组, 并进行了显著性分析, 结果
表明在北部冬(秋播)麦区、华南冬(晚秋播)麦区、黄
淮冬(秋播)麦区、新疆冬春兼播麦区和长江中下游冬
(秋播)麦区中在所调查的农艺性状中差异均不显著。
在北部春(播)麦区仅检测到每穗小穗数的显著性差
异, A组的每穗小穗数较多。在青藏春冬兼播麦区检
测到每穗小穗数和穗长的显著性差异, 同样的为
A
组每穗小穗数和穗长较高。而西南冬(秋播)麦区中检
测到了分蘖数、每穗小穗数、穗长、粒长、千粒重、
粒宽和开花期这7个农艺性状的显著性差异, 其中
分蘖数、每穗小穗数、穗长和开花期在A组中均较
高, 而粒长、粒宽和千粒重则较低(附表6)。
2.3.2 WAPO1基因在育种中利用情况和分布鉴定
为了探究WAPO1基因的优异单倍型(即A组)
在中国和全球的分布情况, 我们通过KASP-GT-
WAPO1分别对144份中国育成小麦和223份世界小
麦进行基因分型(图2-d)。除北部春(播)麦区、华南
冬(晚秋播)麦区、青藏春冬兼播麦区、西北春(播)麦
区和新疆冬春兼播麦区这5个麦区本课题组未能搜
集到这些麦区的材料而无法进行分型鉴定外, 在其
他的5个麦区中: 西南冬(秋播)麦区中A组材料数量
较少仅占总数的36.51%, 而其他4个麦区鉴定到的A
组材料占比均在70%以上(图7-a和附表3)。在全球
。我们根据麦区划分的结果, 进一
步对中国地方小麦各个麦区中WAPO1基因的单倍
型分布进行了鉴定, 结果显示在西北春播麦区中的
材料均为H2 (140
+115
Tinsertion
), 在新疆冬春兼播麦
区为H1 (140
G
+115
deletion
)和H2 (140
T
+115
insertion
)均占
37.5%, 而H3 (140
G
+115
insertion
)和H4 (140
T
+115
deletion
)
均占12.5%, 在其余8个麦区中H2在4种单倍型中
均为最多(附图3)。此外, 由于H4单倍型属于稀有
单倍型, 我们对鉴定到的8个H4材料进一步进行了
分析, 结果表明其中3个材料来源于青藏春冬兼播
麦区, 2个材料来源于黄淮冬(秋播)麦区, 其他3个
图7 单倍型在中国育成小麦品种和世界小麦的分布
Fig. 7 Geographical distribution of haplotypes in Chinese wheat varieties/lines and world wheat varieties
Group A代表优异单倍型H2和H4; Group B代表单倍型H1和H3; I为北部冬(秋播)麦区; II为黄淮冬(秋播)麦区; III为长江中下游冬(秋
播)麦区; V为西南冬(秋播)麦区; VI为东北春(播)麦区。
Group A represents superior haplotypes H2 and H4 and Group B represents haplotypes H1 and H3; I is Northern winter (autumn sowing)
wheat area; II is Huang-Huai winter (autumn sowing) wheat area; III is Yangtze River winter (autumn sowing) wheat area; V is Southwest
winter (autumn sowing) wheat area; VI is Northeast spring wheat area.
2206 作 物 学 报
第48卷
6个大洲(除南极洲外)的分析结果表明, 南美洲和非
洲鉴定到的A组材料少于B组, 分别占其总数的
45.45%和30%, 而其他4个大洲优异单倍型材料数
量均较多, 其中北美洲鉴定到的A组材料占比达
88.89% (图7-b和附表2)。
3 讨论
3.1 WAPO1基因F-box区域内的SNP是影响小
麦每穗小穗数的关键
一般来说, 高度保守的结构域通常被认为在相
应蛋白的功能中起关键作用, 例如水稻中GW2编码
E3 RING连接酶调控籽粒发育和大小, 而在小麦中
的直系同源基因TaGW2-A同样编码E3 RING泛素
连接酶且调控籽粒大小
[31-32]
。而在保守域的突变往
往导致功能的改变, 例如大麦中控制棱型的Vrs3
其保守结构域发生了一系列突变, 影响侧穗发育数
量
[33-34]
。本研究鉴定到WAPO1的基因和蛋白结构
在所研究的物种中高度保守, 均编码一个F-box蛋
白, 而F-box蛋白是植物中最大和最多样化的基因
家族之一
[35-36]
, F-box蛋白在许多细胞过程发挥作
用, 包括细胞周期、胚胎的起始、花器官发育和各
种信号转导途径
[17,37-39]
。在水稻中, APO1基因编码
F-box蛋白与花器官特性和花确定性的调控有关,
通过抑制花序分生组织向小穗分生组织的早熟转
化, 正向调控小穗数
[19-20]
; 在拟南芥中UFO基因编
码F-box蛋白在拟南芥中对花器官具有调控作用,
包括影响次级花序数量等
[17-18]
。因此, WAPO1在小
麦和大麦中可能具有与水稻和拟南芥相似的功能,
而先前的研究在六倍体小麦中鉴定到编码F-box蛋
白区域内存在140
G/T
的突变, 使得氨基酸(C→F)发
生了改变
[6,14,22]
, 这很可能是影响表型发生改变的
关键。对中国地方小麦中鉴定到的4种单倍型进行
深入分析后, 结果表明H2 (140
T
+115
insertion
)和H4
(140
T
+115
deletion
)的每穗小穗数显著高于H1 (140
G
+
115
deletion
)和H3 (140
G
+115
insertion
)。该结果同样说明了
编码F-box蛋白区域内的SNP可能是造成表型发生变
化的关键, 此结果为WAPO1的功能解析提供了参考。
3.2 WAPO1基因启动子区域内的插入缺失可能
会影响基因的表达
WAPO1基因115 bp插入缺失片段包含
GATABOX、RHERPATEXPA7、SORLIP1AT、
POLLEN1LELAT52、DOFCOREZM和GT1CONS-
ENSUS这6个作用元件。而GT1CONSENSUS、
SORLIP1AT和POLLEN1LELAT52分别是许多光调
节基因中保守的GT-1结合位点
[40-41]
、拟南芥光诱导
启动子
[42-43]
和番茄花粉特异激活调控元件之一
[44-45]
,
这些元件的缺失可能会导致基因的表达发生改变。
我们在中国地方小麦对4种单倍型的每穗小穗
数也进行了显著性分析。结果表明, H2 (140
T
+
115
insertion
)和H4 (140
T
+115
deletion
)的每穗小穗数最高,
且2种单倍型之间差异不显著。但在H3 (140
G
+
115
insertion
)和H1 (140
G
+115
deletion
)之间, 我们发现启
动子没有缺失的H3的小穗数显著高于H1, 且2个
单倍型均显著低于H2和H4 (图5)。因此我们猜测,
在F-box的SNP为140
T
时, 每穗小穗数主要受到
F-box蛋白的调控而启动子的插入缺失不影响每穗小
穗数; 但当SNP为140
G
时, F-box蛋白的突变使小穗
数降低并且启动子的缺失会进一步降低每穗小穗数。
3.3 WAPO1基因F-box区域内的SNP和启动子
的插入缺失可能是在小麦进化过程中发生了改变
对WAPO1基因及其启动子在六倍体、四倍体及
二倍体小麦、大麦、青稞和黑麦等材料中的序列比
对后发现, 所收集到的六倍体小麦序列中存在H1、
H2和H3三种单倍型, 表明存在140
G/T
和115
inser-
tion/deletion
。而在四倍体小麦中仅存在H1和H3两种
单倍型, 表明存在140
G
和115
insertion/deletion
, 而Kuzay
等
[6]
的研究结果表明四倍体小麦中还存在数量稀少
的H2单倍型, 即四倍体中也存在140
G/T
, 我们仅搜
集到4个四倍体小麦的序列进行比对分析, 这可能
是与Kuzay等
[6]
不一致的原因。在二倍体小麦及其
他小麦族材料中, 其F-box区域的等位位点均为
140
G
, 而启动子没有所报道的115 bp的插入缺失。
结合本实验的分析和前人的研究结果
[6]
, 我们发现
二倍体小麦中启动子没有所报道的115 bp的插入
缺失, 而在四倍体小麦与六倍体小麦中存在F-box
区域的140
G/T
和启动子115
insertion/deletion
, 而据前人
报道, 基因组加倍会引起强烈的变异, 使得细胞内
稳态、基因的表达和代谢通路等受到影响, 甚至引
起部分基因的激活或沉默
[46-48]
。因此我们推测, 小
麦二倍体异源四倍化事件引起了启动子的插入缺
失差异和F-box区域的140
G/T
变异。此外, H2单倍
型在四倍体小麦中频率很低, 到六倍体小麦该单倍
型被富集, 可能是在育种过程中被逐渐人为选育的
结果, 从而成为主要的育种可用的单倍型。这些结
果对后续探究WAPO1在小麦的进化和驯化奠定了
基础。
第
9
期
丁浦洋等: 小麦小穗数调控基因WAPO1的单倍型、遗传效应、地理分布及育种利用分析
2207
3.4 WAPO1基因的优异单倍型材料在育种中被
大量选育
我们利用WAPO1的启动子InDel标记和
KASP-GT-WAPO1标记对769份中国地方小麦进行
基因分型并结合其表型数据, 鉴定到4种单倍型
(H1、H2、H3和H4)与其中的2个优异单倍型(H2
和H4), 并将优异单倍型H2和H4划分为A组, H1
和H3划分为B组。通过KASP-GT-WAPO1对223
份世界小麦、144份中国育成小麦和119份四川小麦
进行分型, 鉴定优异单倍型并进行显著性分析, 进
一步探究WAPO1基因的优异单倍型在育种过程中
的利用和分布情况。结果表明在四川小麦和中国地
方小麦中, 优异单倍型材料的小穗数分别显著增加
4.42%和7.45%, 而在世界小麦和中国育成小麦中,
携带WAPO1的材料也被大量选育, 分别达到
53.77%和56.68%。值得注意的是, 在中国10个麦区
进行显著性检测时发现, 仅在北部春(播)麦区、青藏
春冬兼播麦区和西南冬(秋播)麦区检测到了每穗小
穗数的显著性差异, 而在其他7个麦区中的差异则
不显著(附表6)。我们前期的研究中
, 也发现该位点
可能会受到其他主效小穗数位点的影响, 存在被掩
盖的情况
[22]
。中国地方小麦中每穗小穗数的位点并
不仅仅只受到WAPO1一个位点的影响, 还可能存在
多个位点共同发生作用, 从而提高小麦小穗数, 因
此, WAPO1可能在不同的遗传背景下被其他主效位
点掩盖
[49-51]
。此外, 由于各个麦区的气候类型差异
较大, 选育方式也各不相同, 例如西南冬(秋播)麦区,
其冬季气侯温和, 夏季温度不高且雨多、雾大、晴
天少、日照不足, 季节间温度变化较小, 昼夜温差较
大, 为春性小麦秋冬播和形成大穗创造了有利条件,
因此, 西南冬(秋播)麦区选育以大穗材料为主。而我
国的主要小麦产区河南、山东、河北(石家庄以南)
等地均隶属于黄淮冬(秋播)麦区, 其面积和总产量
在各麦区中均居第一, 该区以冬性和弱冬性小麦为
主因此该区选育以多分蘖数/穗数材料为主
[27]
, 因此
环境的影响也可能是表型差异不显著的原因。单株
穗数、穗粒数和粒重是3个重要的要素, 也是育种
改良的重要目标。目前, 通过提高小麦每穗小穗数
来提高小麦籽粒产量仍是小麦育种中关键的任务,
鉴定相关基因是实现这一目标的重要途径。WAPO1
基因的优异单倍型对提高小麦每穗小穗数具有促进
作用, 因此, 可用于小麦的育种改良, 对小麦高产
品种的选育具有重要意义。
4 结论
通过对水稻APO1在小麦中的直系同源基因
WAPO1的结构、表达以及启动子的顺式元件的分
析, 对鉴定到的F-box区域140
G/T
SNP开发了
KASP标记并结合前人开发的WAPO1启动子InDel
标记对中国地方小麦进行了分型, 并鉴定到第4种
单倍型H4和2种优异单倍型(H2和H4)。通过开发
的KASP标记对世界小麦、中国育成小麦和四川小
麦进行了分型, 对优异单倍型在育种中的利用和分
布进行了鉴定。
附表和附图 请见网络版: 1) 本刊网站zwxb.
/; 2) 中国知网/;
3) 万方数据/Periodical-
。
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