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,為全球超過三分之一的人口提供能量來源。受極端天氣條件和國際局勢影響,今年幾個主要出口國紛紛減產(chǎn)。聯(lián)合國糧農(nóng)組織數(shù)據(jù)顯示,今年小麥出口價格上漲了46%,全球食品價格已經(jīng)漲至10年來最高點(diǎn),明年小麥價格將繼續(xù)飆升并加劇全球食品通脹,提高小麥產(chǎn)量是直接關(guān)系到世界糧食安全的重大問題。小麥產(chǎn)量受三個主要因素的影響:單位面積穗數(shù)、粒重和每穗籽粒數(shù),其中單位面積穗數(shù)受分蘗數(shù)影響,每穗籽粒數(shù)由小穗數(shù)(SNS)和小穗籽粒數(shù)決定。

2022年4月8日,Science雜志在線發(fā)表了來自俄克拉荷馬州立大學(xué)小麥分子遺傳實驗室Liuling Yan教授和Brett F. Carver教授為通訊題為“TaCol-B5 modifies spike architecture and enhances grain yield in wheat”的研究論文。該研究克隆了一個CONSTANS-like家族基因,TaCOL-B5,該基因?qū)π∷霐?shù)、分蘗數(shù)以及單株產(chǎn)量等性狀都有明顯的調(diào)控作用,田間測產(chǎn)顯示該基因?qū)π←溤霎a(chǎn)有極顯著的促進(jìn)作用。

該實驗室在前期研究中通過CItr 17600 和揚(yáng)麥18兩個品種的雜交構(gòu)建了一個F2代群體,并使用圖位克隆的方法在染色體Chr7B上鑒定到一個主效QTL(QSns.osu-7B),能夠解釋群體中43%的SNS表型分離(圖1A)。為了克隆該基因,該實驗室從1857個F5代植株中篩選到了4個關(guān)鍵的重組體植株,并根據(jù)其子代的SNS 分離情況,將候選基因限制在兩個分子標(biāo)記(SNS-M1 和 SNS-G2M3)之間,約為318,786 bp的區(qū)域。在該區(qū)域存在兩個候選基因：TraesCS7B02G400600和 TraesCS7B02G400700(圖1B)。

通過序列分析發(fā)現(xiàn),TraesCS7B02G400700基因編碼區(qū)以及其可能的啟動子區(qū)在兩親本間不存在序列差異；然而TraesCS7B02G400600基因編碼區(qū)在兩親本間存在多個SNP位點(diǎn),推測該基因參與調(diào)控SNS性狀的可能性較大。由于TraesCS7B02G400600編碼了一個CONSTANS-like蛋白,與植物中的COL5基因同源,因此命名為TaCOL-B5。為驗證其功能,該實驗室通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)過表達(dá)其顯性等位基因TaCol-B5后獲得4個獨(dú)立的轉(zhuǎn)基因植株,然后在溫室和田間條件下對子代的轉(zhuǎn)基因株系進(jìn)行種植并發(fā)現(xiàn)該基因的過表達(dá)能夠增加小穗數(shù)和穗長,對小麥籽粒產(chǎn)量有顯著促進(jìn)作用(圖1C)。