氮肥施用可顯著提高小麥產(chǎn)量與加工品質(zhì)，但大量施用不僅增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，也加劇了環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。因此，挖掘能夠協(xié)同提高小麥氮利用效率和產(chǎn)量的優(yōu)異基因資源，對(duì)于培育小麥氮高效新品種具有重要意義。盡管已有研究成功克隆了多個(gè)調(diào)控小麥氮利用的基因，但兼具提高小麥氮利用效率和產(chǎn)量的優(yōu)良等位變異鮮有報(bào)道。

近日，Journal of Genetics and Genomics在線發(fā)表中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所童依平研究員和王延鵬研究員團(tuán)隊(duì)題為“

An elite haplotype of the glutamine synthetase gene

TaGS1.1-6A

is associated with increased nitrogen use- and yield-related traits in wheat

TaGS1.1-6A

該研究通過對(duì)小麥5套雙親遺傳群體的氮利用效率和產(chǎn)量性狀進(jìn)行meta-QTL分析，克隆到TaGS1.1-6A基因，序列分析發(fā)現(xiàn)其啟動(dòng)子區(qū)存在一處由微型反向重復(fù)轉(zhuǎn)座元件(miniature inverted-repeat transposable element, MITE)插入引起的序列變異。該MITE插入導(dǎo)致鄰近區(qū)域DNA發(fā)生高甲基化，進(jìn)而抑制TaGS1.1-6A的轉(zhuǎn)錄。不含該MITE插入的單倍型TaGS1.1-6AHapII表達(dá)量高，可顯著提高葉片光合氮利用效率和氮利用效率，增加穗粒數(shù)及籽粒產(chǎn)量，在小麥育種過程中受到正向選擇。相反，通過CRISPR/Cas9技術(shù)介導(dǎo)的TaGS1.1基因敲除植株則表現(xiàn)出上述氮利用效率、穗粒數(shù)及籽粒產(chǎn)量的降低。此外，該研究通過聚合TaGS1.1-6AHapII單倍型與具有延緩葉片衰老功能的TaNAM-A1d優(yōu)異單倍型，提出了一套可在不同供氮條件下提高小麥籽粒產(chǎn)量的育種策略。該育種策略利用TaNAM-A1d延長(zhǎng)葉片功能期，充分發(fā)揮TaGS1.1-6AHapII增加葉片光合氮利用效率的優(yōu)勢(shì)，為更多籽粒的灌漿提供光合產(chǎn)物，從而實(shí)現(xiàn)氮利用效率與產(chǎn)量協(xié)同提升。

通過聚合TaGS1.1-6AHapII與TaNAM-A1d設(shè)計(jì)氮高效高產(chǎn)小麥新品種的模式圖

綜上所述，該研究發(fā)現(xiàn)TaGS1.1-6A基因參與調(diào)控小麥氮利用及產(chǎn)量相關(guān)性狀，且TaGS1.1-6AHapII單倍型對(duì)培育氮利用效率和籽粒產(chǎn)量協(xié)同提升的小麥新品種具有重要應(yīng)用價(jià)值。

作者簡(jiǎn)介

中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所王亞州博士和滕婉副研究員為該論文共同第一作者，滕婉副研究員為通訊作者。相關(guān)工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目資助。