近日,由中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所毛龍研究員領(lǐng)銜的作物生物信息與應(yīng)用創(chuàng)新團(tuán)隊(duì),在小麥幼穗發(fā)育基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)解析研究中取得新進(jìn)展,在系統(tǒng)研究小麥幼穗發(fā)育早期四個(gè)決定后期穗粒數(shù)重要階段基因表達(dá)的差異后,解釋了這一重要時(shí)期基因表達(dá)調(diào)控的特點(diǎn)。相關(guān)成果于5月17日在線發(fā)表在國(guó)際植物學(xué)主流雜志《植物生理(Plant Physiology)》上。
據(jù)悉,小麥穗的發(fā)育經(jīng)歷二棱期、小穗發(fā)育期、小花發(fā)育期、小花成熟期等關(guān)鍵時(shí)期。其中,二棱期是小穗發(fā)育初始時(shí)期,決定小穗原基的多少;小穗發(fā)育期是小花原基形成的時(shí)期,決定小花數(shù)目的多少;小花發(fā)育期則決定小花原基能否成功發(fā)育成小花,而小花成熟期是雌雄蕊發(fā)育期,決定小花的育性。小麥的每個(gè)小穗能產(chǎn)生多到8個(gè)以上的小花原基;但最后只有3-4個(gè)能夠發(fā)育生成籽粒。因此,小麥穗發(fā)育的早期狀態(tài)直接影響小麥的最終產(chǎn)量。但是,迄今為止,人們對(duì)該過程中的基因調(diào)控及網(wǎng)絡(luò)卻知之不多。
科研團(tuán)隊(duì)利用生物信息手段,通過對(duì)小麥幼穗發(fā)育早期的轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn),該過程中小麥基因表達(dá)活躍、表達(dá)模式多樣。根據(jù)基因表達(dá)的聚類分析及其特異階段的重要基因挖掘,發(fā)現(xiàn)了大量與幼穗發(fā)育相關(guān)的重要轉(zhuǎn)錄因子。其中,很多與模式植物如水稻的調(diào)控基因保守。該團(tuán)隊(duì)同時(shí)對(duì)小麥幼穗的小分子核糖核酸(RNA)進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)重要小分子RNA如miR159、miR167、miR319、miR396等高度表達(dá),與其靶基因的表達(dá)模式協(xié)同,并能進(jìn)行有效切割、調(diào)控。為了證明他們的分析結(jié)果的可靠性,該團(tuán)隊(duì)對(duì)其中一個(gè)在小花發(fā)育期高表達(dá)的基因AGO1d進(jìn)行了突變體分析。該基因在花藥的絨粘層特異表達(dá);突變后使小麥的可育花粉數(shù)目大大下降,嚴(yán)重影響后期的每穗籽粒數(shù)。這一工作表明,轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)的調(diào)控基因在小麥花序的發(fā)育過程中發(fā)揮重要的作用。這些候選基因可為今后分子育種中開發(fā)分子標(biāo)記和進(jìn)行遺傳操作提供重要的信息。
該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、十三五國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃以及中國(guó)農(nóng)科院創(chuàng)新工程等項(xiàng)目的資助。相關(guān)論文以中國(guó)農(nóng)科院作科所為第一完成單位。作科所博士研究生馮楠和宋高原為該論文共同第一作者,毛龍研究員和李愛麗研究員為共同通訊作者。(通訊員 衛(wèi)斐)