TaCOL-B5基因純合植株（右）和雜合植株（中）比不攜帶該基因的對照組（左）更高大，產(chǎn)量更高。受訪者供圖
攜帶TaCOL-B5基因的揚麥18（右）比對照組更高大，產(chǎn)量更高。受訪者供圖
“如何提高產(chǎn)量是作物育種里最重要的問題，也是最難的問題，是一塊難啃的硬骨頭。”美國俄克拉荷馬州立大學小麥分子遺傳實驗室教授嚴六零告訴《中國科學報》，面對著氣候變化、人口增長、耕地減少等問題，提高小麥產(chǎn)量是直接關(guān)系到世界糧食安全的重大課題。
4月8日，《科學》在線發(fā)表了嚴六零與合作者找到的一個新的小麥增產(chǎn)基因TaCOL-B5，該基因?qū)π∷霐?shù)、穗數(shù)等性狀都有明顯的調(diào)控作用，田間試驗顯示該基因可讓小麥平均增產(chǎn)約12%。
《科學》同期發(fā)表了荷蘭瓦赫寧根大學分子生物學實驗室G·威爾瑪·范·埃斯博士的展望文章。該文指出，“TaCOL-B5 的發(fā)現(xiàn)是提高谷物產(chǎn)量的里程碑，它加深了我們對控制產(chǎn)量相關(guān)株型性狀的分子機制的理解。”“對 TaCol-B5 的鑒定提供了一條最大化小麥產(chǎn)量的新途徑。”
決定小麥產(chǎn)量的穗型因素
作為全球最重要的糧食作物之一，小麥滿足了人類20%的卡路里和蛋白質(zhì)需求，為全球超過1/3的人口提供能量來源。
提高小麥產(chǎn)量一直是備受關(guān)注的問題。論文通訊作者嚴六零說，采用傳統(tǒng)雜交育種手段培育的一些高產(chǎn)品種，由于受到氣候、環(huán)境和栽培方式等影響，在不同年份或地區(qū)會表現(xiàn)出不穩(wěn)定的產(chǎn)量。育種家不能精確地預測它們是否在絕大多數(shù)情況下都能帶來較高的產(chǎn)量。
近年來，基因測序等新技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用給科學家?guī)砹私鉀Q高產(chǎn)難題的機遇。
嚴六零說，小麥產(chǎn)量受到三個主要因素影響，即穗數(shù)、每穗種子數(shù)和種子重量。這些因素在一定幅度范圍內(nèi)呈負相關(guān)的關(guān)系，通過遺傳因素改良穗型和株型進而提高作物產(chǎn)量是一條有效途徑，但實現(xiàn)該目標非常具有挑戰(zhàn)性。
范·埃斯指出，單個影響因素之間的權(quán)衡，例如種子重量和數(shù)量，是進一步提高產(chǎn)量的主要瓶頸。“控制小麥產(chǎn)量相關(guān)株型性狀的基因的鑒定并非易事，因為普通小麥具有大而復雜的六倍體基因組，而且其中包含80%的重復序列——具有如此多相似的基因組片段，很難組裝序列拼圖。”
嚴六零與合作者利用完整的小麥參考基因組和快速測序技術(shù)加速了對小麥高產(chǎn)基因的研究。“我們原先的目標是找到?jīng)Q定小穗數(shù)的關(guān)鍵基因。”
論文共同第一作者、原就讀于俄克拉荷馬州大學的博士生、現(xiàn)供職于中國農(nóng)業(yè)科學院麻類研究所的張小雨介紹，他們挑選了兩個麥穗形狀差異較大的小麥材料（CItr 17600 和揚麥18）作為親本，以期利用孟德爾遺傳規(guī)律從他們的后代中找到由于穗差異而導致產(chǎn)量差異的分離群體，從而發(fā)現(xiàn)提高產(chǎn)量的基因。
潛在的單產(chǎn)增長約為 12%
“在選擇這兩個親本做實驗的時候，我們的確就是為了找到高產(chǎn)基因，但我們并不知道最終會發(fā)現(xiàn)一個什么樣的基因。”嚴六零說，最終找到這個增產(chǎn)效果異常顯著的基因算是一種“偶然”和“幸運”。
張小雨告訴《中國科學報》，在前期研究中，他們通過CItr 17600 和揚麥18兩個品種的雜交構(gòu)建了一個子代群體，這個群體中的小穗數(shù)表現(xiàn)出遺傳分離。隨后，他們鑒定到一個數(shù)量性狀主效位點，可解釋子代群體中43%的小穗數(shù)的遺傳分離的差異。
“這時候我們實際上發(fā)現(xiàn)了這個基因所在的大致位置。”嚴六零說。進一步研究鎖定了該基因。由于該基因是與開花時間基因CONSTANS密切相關(guān)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子，與植物中的COL5基因同源，因此將其命名為TaCOL-B5。
為驗證其功能，該團隊在揚麥18上過表達顯性等位基因TaCol-B5后，獲得4個獨立的轉(zhuǎn)化植株，并在溫室和田間條件下進行種植。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該基因的過表達能夠增加穗數(shù)（即分蘗數(shù)）、小穗數(shù)和穗長，對小麥單株生產(chǎn)力有顯著促進作用。
“值得注意的是，粒數(shù)增加對種子大小沒有產(chǎn)生負面影響，這表明打破產(chǎn)量影響因素之間的負相關(guān)是可能的。”范?埃斯指出。而嚴六零認為這既屬于“研究的初衷”，也是“目標的實現(xiàn)”。
論文共同第一作者、南京農(nóng)業(yè)大學教授賈海燕參加了基因的克隆和對基因功能的驗證工作。結(jié)果顯示，揚麥18的4個TaCol-B5過表達株系比對照組的產(chǎn)量平均增長了11.9%，增產(chǎn)效果最為顯著的一個株系產(chǎn)量提高19.8%。
“潛在的單產(chǎn)增長約為 12%，是一個飛躍。”范?埃斯說。
不僅如此，該團隊又通過基因編輯技術(shù)對Tacol-B5功能域進行堿基敲除。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，基因編輯株系與對照相比表現(xiàn)出了開花期延遲和株高降低的特性，該表型進一步驗證了TaCol-B5的功能。
論文共同第一作者、中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所副研究員李甜參與了對 TaCOL-B5蛋白功能機制的詳細分析。他們發(fā)現(xiàn)，TaCol-B5受到絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶TaK4的磷酸化而激活。這是首次發(fā)現(xiàn)TaK4磷酸激酶能夠調(diào)節(jié)穗部發(fā)育和產(chǎn)量性狀。
“根據(jù)蛋白保守結(jié)構(gòu)域的功能分析，我們推測TaCOL-B5通過不同的保守結(jié)構(gòu)域調(diào)節(jié)開花時間和株高等多種性狀。”李甜說。
更加高產(chǎn)的理想株型
既然TaCol-B5是通過自然突變產(chǎn)生的顯性等位基因，那么在栽培小麥中哪些現(xiàn)代小麥品種擁有這一基因呢？
李甜告訴《中國科學報》，他們對中國國家作物種質(zhì)庫保存的1551份小麥材料進行了測試，這些材料來自于中國農(nóng)家種、中國現(xiàn)代育成品種、北美（美國和加拿大）品種、歐洲（16國）品種、前蘇聯(lián)品種、澳大利亞品種和國際玉米小麥改良中心品種等。
結(jié)果顯示，僅有29份材料含有TaCol-B5基因，不足總數(shù)的2%。其中，被測試的157份中國農(nóng)家種均不含有該基因，而346份中國現(xiàn)代育成品種中有4份含有該基因，分別是中優(yōu)9507、寧8343、隴東1號、寧87N2801。
“盡管該等位基因在目前世界范圍內(nèi)種植的普通小麥品種中出現(xiàn)頻率非常低，但這依然可以為育種家提供良好的天然的高產(chǎn)育種材料。”嚴六零說，該基因非常古老，存在于四倍體小麥中，并與增加株高相關(guān)。在上世紀五六十年代的綠色革命過程中，人們追求降低作物的株高。所以該基因可能在追求矮化株型預防倒伏的篩選中遺失了。
在實驗中，賈海燕觀察到，攜帶TaCol-B5基因的植株明顯高大。“這引起了我們對小麥理想株型的重新思考。”
嚴六零也說，植株太矮也許限制了產(chǎn)量的突破。這與袁隆平院士的“禾下乘涼夢”不謀而合。
水稻和小麥都屬于禾本科作物。嚴六零說，這一新基因或許可為其他作物的增產(chǎn)研究提供有益的借鑒。
范·埃斯強調(diào)，測試 TaCol-B5 基因在多種環(huán)境以及其他遺傳背景中生長的小麥中的影響，以更準確地評估潛在的產(chǎn)量增加是很重要的。此外，這些結(jié)果可能適用于其他主要谷類作物，如水稻、大麥和黑麥。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1126/science.abm0717
