小偃麦抗光氧化的遗传基础研究

Xiaoyan wheat have played critical roles in Chinese wheat production and genetic improvement. They confer high resistance not only to many wheat diseases such as stripe rust but also to high-light induced photooxidation (HLIP) which usually result in premature leaf senescence and great yield loss. It may provide new hints for the genetic mechanism of wheat tolerance to HLIP also benefit the genetic improvement of wheat with high photosynthetic efficient to study the genetic control of tolerance to HLIP in Xiaoyan wheat. This project will focus on the genetic control of Xiaoyan wheat by using QTL mapping, gene expression based on transcriptomic and proteomic data analysis, gene functional analysis via virus induced gene silencing system. Xiaoyan54, Jing411, and their recombinant inbred lines (RILs) will be used to map QTLs associated with tolerance to HLIP. Differential expressed genes (DEGs) will be screened from the transcriptomic and proteomic data of Xiaoyan54 and Jing411 subjected to high light for various hours. The expression profiles of these DEGs induced by high light and highly expressed in Xiaoyan54 will be confirmed on high light treated extreme RILs and the parents. Then, the function of confirmed genes will be evaluated via barley stripe mosaic virus and pea early browning virus induced gene silencing systems. Further, the physiological and molecular genetic mechanism of the genes associated with tolerance to photooxidation (GATP), for example TaGRAS, will also be studied by overexpression in wheat. Finally, molecular markers developed for GATP will be used to assess its genetic effect in the RIL population.

小偃麦在我国小麦生产和遗传改良中起了重要作用。小偃麦不仅具有突出的抗条锈病等特性还具有显著的抗光氧化特性。对其抗光氧化特性遗传基础的研究，有助于认识小麦抗光氧化的遗传机制；有助于有效利用小偃麦进行高光效小麦遗传改良。本项目将从QTL定位、基于转录组和蛋白组的表达分析和功能研究等方面围绕小偃麦抗光氧化的遗传基础展开研究。本项目将以小偃54和京411及其重组自交群体为试材，进行旗叶抗光氧化QTL分析。利用生物信息学方法从小偃54和京411响应强光的转录组和蛋白组数据筛选抗光氧化候选基因。以小偃54、京411及其极端抗感RIL系为材料，验证初选抗光氧化基因的表达特征。结合病毒介导的基因沉默系统研究其功能。利用小麦转化研究包括TaGRAS在内的抗光氧化相关基因作用的生理与分子遗传机制。对经验证的基因（如TaGRAS等）设计基因分子标记，在遗传群体中研究该基因位点的遗传效应。

小麦灌浆中后期经常面临的强光、高温等逆境胁迫会引起叶片发生光氧化，不仅降低光合效率而且易导致叶片提早衰老。因此，光氧化是影响小麦减产的重要生理因素。研究发现，不同小麦品种对光氧化表现不同的抗性，小偃麦品种如小偃54等具有耐强光、抗光氧化的特性。研究小偃麦抗光氧化的遗传基础对小麦抗光氧化遗传改良及高光效品种选育具有重要意义。为此，本项目开展了小偃麦品种抗光氧化的遗传基础，从小偃麦抗光氧化QTL位点及其遗传效应；利用转录组、蛋白组数据筛选小偃麦抗光氧化相关候选基因；小偃麦抗光氧化相关基因功能研究等方面开展了研究。研究结果表明，4B染色体Rht1基因所在区段可能具有抗光氧化的作用，利用该区域分子标记可提高小麦耐强光的选择效率。建立了小麦连体叶片耐强光能力的鉴定方法。该方法可用于耐强光高温或耐强光低温品种鉴定，操作简便，快速，适合大规模鉴定，对植物耐强光的基础研究和耐强光植物品种的选育具有重要意义。为研究小麦生物量和光合参数响应光强的遗传基础，我们对分别生长在弱光、中光和强光下的一个加倍单倍体（DH）群体进行了QTL分析，共检测到48个QTL参与调控不同光强下小麦生物量和光合参数的表达。光氧化是叶片衰老的重要生理原因。为研究衰老与抗光氧化的关系，我们通过对一对早衰和正常衰老的小麦近等基因系（小偃81姊妹系）抗氧化系统进行了生理与基因表达研究，发现活性氧代谢失衡可能是小麦早衰的主要原因。以小偃54响应强光的转录组差异表达数据为基础，从中选取6个小偃54强光响应基因，利用BSMV介导的VIGS体系研究其响应光氧化胁迫的功能，发现Ta23008、Ta92165、Ta106078、Ta119251四个基因被抑制表达后，其转化株系的生物量比对照显著降低。进一步的研究证实，Ta92165与一个GRAS蛋白AtSCL14同源，命名为TaSCL14。研究显示TaSCL14基因具有调控小麦光合效率、抗光氧化特性及参与调控叶片衰老的过程。本项目为进一步研究小麦抗光氧化相关基因功能及高光效育种奠定了基础。