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Theor Appl Genet|普通小麦半显性表皮蜡质突变体w5的表型分析和精细定位
发布日期:2021-03-30 浏览次数:  信息来源:澳门永利贵宾厅app下载


小麦是世界上广泛种植的禾本科植物,是世界上总产量第二的粮食作物,仅次于玉米。在全球气候变化的背景下,水资源短缺、农业病虫害的发生程度都呈加剧趋势,严重威胁着我国的农业生产及粮食安全。植物表皮蜡质覆盖在植物最外层,是植物与环境之间的第一道防线。因此,研究表皮蜡质相关基因对培育耐逆性小麦具有重要的实用价值。

2020年1月21日,中国农业大学小麦研究中心在Theor Appl Genet杂志在线发表了题为“The semidominant mutation w5 impairs epicuticular wax deposition in common wheat (Triticum aestivum L.) ”的研究文章,报道了源于野生型济麦22的表皮蜡质突变体w5的表型分析和精细定位,研究发现该基因是一个新的蜡质合成位点,进一步的研究将拓宽有关小麦表皮蜡沉积的遗传基础的知识。

1.表型分析

本研究通过对野生型济麦22和突变体w5进行直观的肉眼观察(图1a, b),以及利用扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)分别观察旗叶叶鞘组织表面蜡质晶体沉积(图1c-f)和叶鞘表皮细胞超微结构(图1g, h),结果发现突变体w5的无蜡性状与表面蜡质晶体减少有关。

图1. 野生型济麦22和突变体w5的表型对比

2. 蜡质成分和含量分析

为了进一步探究济麦22和w5之间可见白霜状蜡质性状的根本原因,我们选取了开花期的旗叶叶鞘,通过气相色谱和质谱联用技术(GC-MS)以及火焰离子化检测(FID)技术进行含量和组分测定,结果如表1所示。发现济麦22和w5叶鞘表皮蜡质总含量存在显著差异,其他蜡质成分包括烷烃、初级醇、脂肪酸以及未知蜡质组分的含量在突变体w5均显著降低,需要特别强调的是突变体w5中未检测到β-二酮。这个结果说明整株蜡质缺失突变体突变后能显著降低表皮蜡质含量,且突变体蜡质缺失性状与β-二酮有无存在密切关系。

表1野生型济麦22和突变体w5的叶鞘表皮蜡质组分和含量

Table 1 The wax composition and loads of the leaf sheath of Jimai22 and the w5 mutant

蜡质组分

济麦22

w5

倍数变化

烷烃

84.15 ± 10.98

48.54 ± 4.07***

0.58

初级醇

49.36 ± 4.55

34.64 ± 4.72***

0.7

脂肪酸

116.18 ± 12.09

65.74 ± 9.21***

0.57

β-二酮

430.39 ± 63.13

0.00 ± 0.00***

0

未知化合物

187.00 ± 21.30

15.90 ± 1.94***

0.09

总蜡含量

867.08 ± 111.73

164.82 ± 19.73***

0.19

注:总蜡含量(μg/g ± SD,n = 5),每个蜡组分的总量(μg/g ± SD);UN:未知化合物;***通过t检验得出的显著性水平p <0.001

3.遗传分析和精细定位

为了探究表皮蜡质缺失性状的遗传基础,我们利用整株表皮有蜡亲本京411和突变体w5杂交的F1代及其衍生的F2分离群体为研究材料进行了分析。F1植株表面有白霜状蜡质层,且相对于两个亲本而言F1植株的蜡质水平介于二者中间,属于中间型。在304个F2分离群体中,有蜡个体:中间型个体:无蜡个体的比例为87:149:68,经卡方检验符合1:2:1的分离比例(χ 2=2.49, P > 0.05)。这些结果表明,整株无蜡突变体w5的蜡质缺失性状受半显性单基因控制。

为了初步定位W5基因,本研究采用集群分离分析法(BSA)构建有蜡池和无蜡池,用90K iSelect SNP芯片对两个极端池进行了基因分型检测,通过分析SNP结果,初步定位表皮蜡质基因可能位于7DL染色体上。为了精细定位W5基因,我们进一步开发分子标记筛选重组个体,结合基因型和表型数据,最终将W5基因精细定位在标记SSR2和STARP11之间。根据IWGSC RefSeq v.1.0中国春参考基因组,这两个标记之间的物理位置大约194.4kb,根据注释这个区间包含3个高置信基因和1个低置信基因(见图2)。

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图2. W5的精细定位

早期的遗传研究表明,异源六倍体小麦的蜡质合成性状主要由四个基因位点控制,即蜡质合成基因W1和W2和蜡质合成抑制基因Iw1和Iw2,W1和Iw1被定位于2BS上,而W2和Iw2定位于2DS上 (Tsunewaki and Ebana 1999)。随后,在普通小麦的2BS上鉴定了一个蜡质合成位点W3,而在野生二粒小麦的1BS上鉴定了一种独特的颖壳蜡质合成抑制位点Iw3 (Dubcovsky et al. 1997; Wang et al. 2014; Zhang et al. 2015)。除此之外,还在硬粒小麦的1AS上定位了一个蜡质合成位点Ws,在粗山羊草的3DL上定位了新的蜡质合成位点W4 (Gadaleta et al. 2009; Nishijima et al. 2018)。此外,通过同源克隆和QTL定位的方法还在小麦的11条染色体上鉴定出一些与蜡的合成和调控有关的基因,包括1B,1DL,2AS,2DS,3AS,4AS,4AL,4BS,4DS,5AS,5AL,5B和7DS。比较分析表明,我们在7DL上鉴定出的W5基因与已知的蜡质合成基因位点W1-W4均不是等位基因,因此,深入研究W5对于阐明表皮蜡质积累的分子基础是很有价值的。

第一作者李玲红为中国农业大学农学院博士生。本课题得到了国家自然科学基金(31991214和91935304)和中国国家重点研究发展计划(批准号2017YFD0101004)的资助。作者要感谢张明义老师提供突变体材料,感谢上海交通大学的石建新教授实验室提供的的GC-FID和GC-MS分析。

参考文献

Li L, Qi Z, Chai L, Chen Z, Wang T, Zhang M, You M, Peng H, Yao Y, Hu Z, Xin M, Guo W, Sun Q, Ni Z (2020) The semidominant mutation w5 impairs epicuticular wax deposition in common wheat (Triticum aestivum L.). Theoretical and Applied Genetics https://doi.org/10.1007/s00122-020-03543-x

Tsunewaki K, Ebana K (1999) Production of near-isogenic lines of common wheat for glaucousness and genetic basis of this trait clarified by their use. Genes & Genetic Systems 74:33-41 https://doi.org/10.1266/ggs.74.33

Dubcovsky J, Echaide M, Giancola S, Rousset M, Luo MC, Joppa LR, Dvorak J (1997) Seed-storage-protein loci in RFLP maps of diploid, tetraploid, and hexaploid wheat. Theoretical and Applied Genetics 95:1169-1180 https://doi.org/10.1007/s001220050678

Wang J, Li W, Wang W (2014) Fine mapping and metabolic and physiological characterization of the glume glaucousness inhibitor locus Iw3 derived from wild wheat. Theoretical and Applied Genetics 127:831-841 https://doi.org/10.1007/s00122-014-2260-8

Zhang Z, Wei W, Zhu H, Challa GS, Bi C, Trick HN, Li W (2015) W3 Is a New Wax Locus That Is Essential for Biosynthesis of β-Diketone, Development of Glaucousness, and Reduction of Cuticle Permeability in Common Wheat. PloS one 10:e0140524 https://doi.org/10.1371/journal.pone.0140524

Gadaleta A, Giancaspro A, Giove SL, Zacheo S, Mangini G, Simeone R, Signorile A, Blanco A (2009) Genetic and physical mapping of new EST-derived SSRs on the A and B genome chromosomes of wheat. Theoretical and Applied Genetics 118:1015 https://doi.org/10.1007/s00122-008-0958-1

Nishijima R, Tanaka C, Yoshida K, Takumi S (2018) Genetic mapping of a novel recessive allele for non-glaucousness in wild diploid wheat Aegilops tauschii: implications for the evolution of common wheat. Genetica 146:249-254 https://doi.org/10.1007/s10709-018-0012-4

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