Article，2023-12-10，Theor Appl Genet， [IF 5.4]
DOI：https://doi.org/10.1007/s00122-023-04504-w
第一作者：邱玉亮，韩志阳，刘宁涛
通讯作者：叶兴国，韩方普
- 背景 -
小麦是我国主要的粮食作物之一，品质改良一直是小麦的重要育种目标。虽然我国年产小麦1.38亿吨，位居世界第一，但每年仍需进口800-900吨优质麦，用于加工高端面包、糕点等面制品的配粉。由于小麦中麦谷蛋白的遗传变异比较狭窄，需要从小麦野生近缘植物中引入优质麦谷蛋白亚基改良小麦加工品质。
2023年12月10日中国农业科学院作物科学研究所叶兴国团队和中国科学院遗传与发育生物学研究所韩方普课题组合作在国际老牌期刊Theoretical and Applied Genetics在线发表了题为“Effects of Aegilops longissima chromosome 1Sl on wheat bread-making quality in two types of translocation lines”的研究论文，该研究利用染色体工程技术创制了小麦-高大山羊草1BS·1SlL易位系和1SlS·1BL易位系，进一步将2种易位染色体分别回交转育到宁春4号等优良小麦品种中，培育出农艺性状优良的新易位系，发现新易位系比背景亲本的面包品质明显改进，初步分析了品质改良的分子基础。
- 结果 -
在前期工作中，研究团队对小麦-高大山羊草1Sl（1B）代换系CB-SLB与小麦品种Westoniade杂种幼胚进行组织培养，构建了无性系变异群体，同时，通过转录粗测序技术开发了高大山羊草1S1L和1SlL等染色体特异的分子标记，进一步利用分子标记和荧光原位杂交等技术从无性系变异群体中筛选到了1SlS·1BL易位系。本研究中，利用分子标记从无性系变异群体TC3和TC4中筛选到2个小麦-高大山羊草1BS·1SlL易位系，染色体原位杂交分析证实了易位染色体的类型和组成，易位发生的频率分别为0.12%（1/831）（图1-a，c）和0.088%（1/1140）（图1-b，d）。SDS-PAGE分析结果表明，2个1BS·1SlL易位系中1SlL染色体上携带的HMW-GS编码基因1Slx2.3*和1Sly16*都正常表达，而小麦1BL染色体臂携带的HMW-GS编码基因1Bx17和1By18都缺失。
图1 小麦-高大山羊草1BS·1SlL易位系染色体原位杂交鉴定
利用1BS·1SlL和1SlS·1BL易位系作为父本分别与宁春4号、宁春50号和Westonia杂交，F1代直接用上述3个品种对应回交，利用分子标记对BC1和后续回交世代中的单株进行分子标记检测，选择携带易位染色体的单株连续回交5代，并自交3代以上，每个自交世代中同样利用分子标记选择目标单株。将2种易位染色体分别回交转育到宁春4号、宁春50号和Westonia遗传背景中，获得了具有3个遗传背景的小麦-高大山羊草1BS·1SlL和1SlS·1BL新易位系共15个。面包品质分析结果表明，新易位系（图2，第2-6列）比轮回亲本（图2，第1列）的面包体积增大，细腻程度更好，尤其1SlS·1BL新易位系（图2，第4-6列）面包品质改良效果更为明显。40K芯片分析结果显示，小麦-高大山羊草1BS·1SlL新易位系中小麦1BL染色体臂缺失，1SlS·1BL新易位系中小麦1BS染色体臂缺失，新易位系与轮回亲本相同mSNPs比例为91.18-96.37%。2种类型新易位系中HMW-GSs含量比相应轮回亲本增高，1SlS·1BL新易位系中LMW-GSs和醇溶蛋白含量比相应轮回亲本相比显著提高。转录组测序结果显示，1SlS·1BL新易位系中LMW-GSs和醇溶蛋白编码基因表达量上调。总之，本研究明确了高大山羊草1Sl染色体对面包品质改良的遗传效应，为小麦品质改良提供了新的育种材料。
图2 不同遗传背景新易位系1BS·1SlL和1SlS·1BL面包加工品质分析
中国农科院作科所已毕业博士研究生邱玉亮、宁夏大学已毕业硕士研究生韩志阳和黑龙江省农科院副研究员刘宁涛为本文的共同第一作者，中国农业科学院作物科学研究所叶兴国研究员和中国科学院遗传与发育生物学研究所韩方普研究员为本文的共同通讯作者。本研究得到国家自然基金（31971945）和宁夏科技厅重点研发计划（2019BBF02020）的资助。
参考文献
Qiu, Y., Han, Z., Liu, N. et al. Effects of Aegilops longissima chromosome 1Sl on wheat bread-making quality in two types of translocation lines. Theor Appl Genet 137, 2 (2024). https://doi.org/10.1007/s00122-023-04504-w
- 通讯作者简介 -
中国农业科学院作物科学研究所
叶兴国
研究员
叶兴国，博士，研究员。1980年7月---1984年8月：宁夏农学院农学专业，获学士学位；1988年8月-1991年7月：中国农业农业科学院研究生院作物遗传育种专业，获硕士学位；1991年8月-1994年7月：中国农业农业科学院研究生院作物遗传育种专业，获博士学位。
研究方向：小麦细胞工程、基因工程和染色体工程育种，包括小麦小麦转基因体系建立、小麦近缘种属染色体标记开发、小麦再生相关基因克隆和小麦新品系培育等。
学术兼职：BMC Genomics、BMC Plant Biology、作物杂志和科技导报编委。
荣誉称号：中国农业科学院作物科学研究所中青年骨干人才。
获奖成果：北京市科技进步一等奖1项，中国农业科学院科技进步一等奖1项，宁夏回族自治区科技进步二等奖和三等奖各1项。
中科院遗传与发育生物学研究所
韩方普
研究员
韩方普，博士，研究员，博士生导师。东北师范大学遗传与细胞研究所获博士学位；1998-2001年在以色列 Weizmann 研究所做博士后，从事小麦多倍体基因组进化研究；2001-2004年在加拿大农业部做Visiting Fellow 和 Biologist，从事小麦抗赤霉病分子标记和种质创新及小麦多倍体基因组进化研究；2004-2008年在美国 University of Missouri-Columbia 从事玉米功能基因组及植物人工染色体研究。韩方普研究组主要从事小麦和玉米功能基因组、小麦染色体工程育种及植物人工染色体研究。
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