小麥?zhǔn)侨澜缰饕募Z食作物之一，其產(chǎn)量主要由畝穗數(shù)、千粒重和穗粒數(shù)決定。穗型結(jié)構(gòu)影響小麥的小穗數(shù)、穗粒數(shù)和產(chǎn)量，是育種改良地重要的選擇性狀，挖掘小麥穗發(fā)育重要調(diào)控因子與解析分子調(diào)控機(jī)制，對(duì)小麥穗型的分子設(shè)計(jì)與精準(zhǔn)改良、突破產(chǎn)量瓶頸具有重要意義。由于小麥功能基因組學(xué)發(fā)展較晚，穗發(fā)育關(guān)鍵基因挖掘及作用機(jī)制的研究尚處于初步階段。

近日，中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所肖軍課題組在Molecular Plant在線發(fā)表了題為“Systemic identification of wheat spike development regulators by integrated multiomics, transcriptional network, GWAS and genetic analyses”的研究論文，通過結(jié)合多維組學(xué)、群體遺傳學(xué)和基因功能解析等多種研究手段，提出了一種系統(tǒng)高效鑒定關(guān)鍵調(diào)控因子的策略。

肖軍課題組通過8個(gè)穗發(fā)育關(guān)鍵時(shí)期的轉(zhuǎn)錄組、染色質(zhì)可及性和多種組蛋白修飾測(cè)序，繪制了小麥穗發(fā)育過程的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)錄和表觀修飾圖譜，搭建了小麥穗發(fā)育過程的轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)（TRN）。多組學(xué)數(shù)據(jù)聯(lián)合分析發(fā)現(xiàn)，染色質(zhì)可及性、H3K27me3修飾和轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控等協(xié)調(diào)推動(dòng)了小麥穗的開花轉(zhuǎn)變過程，生殖生長(zhǎng)階段的核心TRN可能驅(qū)動(dòng)了分生組織細(xì)胞身份轉(zhuǎn)變和穗型建成。TRN鑒定了一個(gè)TaSPL15-TaAGLG1-TaFUL2調(diào)控模塊，并通過之間實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其層級(jí)調(diào)控關(guān)系。結(jié)合多維組學(xué)數(shù)據(jù)與群體遺傳學(xué)，鑒定到227個(gè)潛在的穗發(fā)育調(diào)控因子，其中42個(gè)基因在小麥或水稻中已證明參與穗發(fā)育過程。通過突變體庫(kù)對(duì)61個(gè)新基因進(jìn)行通量表型鑒定，發(fā)現(xiàn)較高比例的基因突變導(dǎo)致開花時(shí)間或穗型的改變。

對(duì)一個(gè)新基因TaMYB30-A1進(jìn)行功能研究和機(jī)制解析，發(fā)現(xiàn)啟動(dòng)子區(qū)域的自然變異影響了WFZP對(duì)其的轉(zhuǎn)錄抑制。TaMYB30-A1優(yōu)異單倍型具有較高的表達(dá)量，增加穗長(zhǎng)、可育小穗數(shù)和穗粒數(shù)，在小麥馴化和育種過程中受到選擇，可能在中國(guó)小麥品種改良過程中發(fā)揮了重要作用。

為促進(jìn)小麥穗發(fā)育研究和分子設(shè)計(jì)育種，肖軍課題組與成都天成未來公司合作搭建了小麥穗發(fā)育多組學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)（WSMOD）（http://39.98.48.156:8800/#/），為研究人員提供包括基因信息查詢、共表達(dá)分析、TRN預(yù)測(cè)、表觀圖譜繪制及突變體庫(kù)檢索等模塊在內(nèi)的“一站式”服務(wù)。

綜上，該研究通過轉(zhuǎn)錄組、表觀組和群體遺傳學(xué)等多維數(shù)據(jù)聯(lián)合分析，揭示了基因轉(zhuǎn)錄與表觀調(diào)控共同驅(qū)動(dòng)小麥穗發(fā)育過程的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，搭建了小麥穗發(fā)育特異的轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，提出了一種系統(tǒng)、高效、準(zhǔn)確鑒定關(guān)鍵調(diào)控因子的策略，并以新因子TaMYB30-A1為例展示了小麥穗特異TRN對(duì)于基因功能解析和小麥育種實(shí)際應(yīng)用的價(jià)值。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.molp.2024.01.010

小麥穗發(fā)育多組學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)網(wǎng)站 (WSMOD)