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前沿 | 科学家发现小麦性状新基因,可使蛋白质含量增加高达25%

2022-06-01 09:06:01 20

普通小麦(Triticum aestivum),又称面包小麦,是全球重要的谷物,占全球蛋白质消耗量的近 20%。

其花序产生的小穗和小花的数量是谷物产量的主要决定因素,育种者通常利用花序结构的自然多样性来提高产量。然而,科学家对于调节花序发育的基因或生物过程知之甚少,发现控制这两个因素的基因有可能帮助培育出生产更高质量谷物的新小麦品种。

为了进一步了解并确定提高小麦产量的机制,来自澳大利亚阿德莱德大学和英国约翰 英纳斯中心的科学家们将注意力集中在小麦品种的遗传驱动因素上。

近日,该研究团队发现了一种可以改善小麦产量的性状,可以使蛋白质含量增加高达 25%。相关文章以题为 “MicroRNA-resistant alleles of HOMEOBOX DOMAIN-2 modify inflorescence branching and increase grain protein content of wheat” 发表在 Science Advances 上。

典型的小麦花序由在中央轴和顶端顶生小穗两侧交替排列的小穗组成,每个小穗被两个颖片包围,通常产生两到四个能育的小花。

然而,某些基因变异会导致出现成对的小穗,其特征是在单个轴节处发育两个小穗,第二个小穗紧邻规则的初级小穗并在其下方形成,这也给科学家们提供了识别调节花序结构的基因的机会。成对的小穗不同于其他变体,例如多行和分枝的穗状花序,后者包括单个轴节处的多个小穗或细长的分支。


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▲  在田间生长的新小麦品系,右边的小麦有额外的开花小穗,人为地用粉红色突出显示它们的程度

(来源:University of Adelaide’s)


基于此,团队在小麦 TILLING 群体中筛选了成对的小穗生产系,以确定调节小麦花序发育的基因。并鉴定出了小麦 A 和 D 亚基因组上 III 类同源域亮氨酸拉链转录因子 HOMEOBOX DOMAIN-2 ( HB-2) 的半显性等位基因,这些基因产生更多的开花小穗。与此同时,研究人员发现这些等位基因可以提高谷物蛋白含量。这些等位基因通过破坏植物中具有保守作用的 microRNA 165/166 互补位点来增加 HB-2 的表达,更高 HB-2 表达与叶片和维管发育的改变以及谷物发育过程中对花序的氨基酸供应增加有关。这些发现增强了对控制小麦花序发育的基因的理解,并引入了一种改善谷物营养质量的方法。

“我们发现的遗传变异使田间种植的植物的蛋白质含量增加了 15-25%。这些品种还会产生额外的小穗,称为配对小穗,” 领导这项研究的阿德莱德大学农业、食品和葡萄酒学院的Scott Boden博士说。

该团队还表示,新的小麦品种预计将在未来 2-3 年内提供给育种者,并在大约7-10年的时间里为农民带来收益。(来源:腾讯网)