qPHS.sicau-3D克隆及其赋予白皮小麦穗发芽抗性的机制研究

Pre-harvest sprouting (PHS) is one of the main causes of damage in wheat production areas, which severely reduces the yield, baking quality and planting value. PHS resistance is associated with the grain color of wheat. Most resistant genes were obtained from red wheat, however white wheat is more popular. Thus the characterization of PHS genes from white wheat is important. Recently, a PHS resistant gene ‘qPHS.sicau-3D’ was characterized from a synthetic wheat. This gene is linked to a famous gene Myb10 that controls the seed color. In 2017, we registered a novel white grain wheat cultivar Sumai580, which contain the mentioned resistant gene. In this project, we will try to make sure the relationship between qPHS.sicau-3D and Myb10. If Qphs.sicau-3D is a new allele of Myb10, its functional difference will be assayed in white wheat. If qPHS.sicau-3D is novel gene linked to Myb10, fine mapping, clone and haplotype analysis of this gene will be carried out.

小麦穗发芽影响产量、品质与播种质量。小麦粒色与穗发芽抗性密切相关，目前获得的抗性基因多数来自红皮小麦，但白皮小麦又很受欢迎，因此当务之急是解析白皮小麦（抗）穗发芽机制，为白皮小麦抗性育种奠定基础。在长期的抗性资源发掘、利用与机制研究过程中，本课题组从人工合成小麦中鉴定出位于3DL上1.3cM/1.8Mb区间的候选基因qPHS.sicau-3D，初步确定其与Myb10紧密连锁或为功能分化的等位类型。此外，项目申请人参与了白皮抗穗发芽小麦新品种蜀麦580（2017年通过审定）的选育，该品种遗传了该候选基因。本项目拟开展：蜀麦580及其亲本材料Myb10功能分析，验证候选基因与Myb10 之间的联系。如候选基因确为Myb10新型等位类型，则分析白皮抗穗发芽材料中，该基因在调控花青素合成上的差异与功能分化机制；如候选基因为新基因，则通过精细定位、克隆、单倍型分析评价候选基因功能，开发基因内标记。

小麦穗发芽影响产量、品质与播种质量。小麦粒色与穗发芽抗性密切相关，目前获得的抗性基因多数来自红皮小麦，但白皮小麦又很受欢迎，因此当务之急是解析白皮小麦（抗）穗发芽机制，为白皮小麦抗性育种奠定基础。在长期的抗性资源发掘、利用与机制研究过程中，本课题组从人工合成小麦中鉴定出位于3DL上1.3cM/1.8Mb区间的候选基因qPHS.sicau-3D，初步确定其与Myb10紧密连锁或为其不同等位类型。项目执行期间（2019-2022）课题组克隆了小麦3DL的抗穗发芽主效基因qPHS.sicau-3D（PHS-3D），明确其通过调控NCED表达影响ABA合成来抑制小麦穗发芽的分子机制。PHS-3D在不同环境下可解释2.7%-16.2%表型变异。利用杂合自交家系群体将候选基因定位于小麦3D染色体一个2.4Mb的插入缺失区间（PAV）内，这个PAV在小麦自然群体中存在广泛分布。在262份小麦资源材料中，含有PHS-3D的比不含有该基因的材料平均发芽率低40%。通过整合抗性材料基因组重测序、转录组、代谢组等多组学分析结果，以及对PHS-3D转化材料的功能分析，明确了PHS-3D由控制籽粒颜色的Myb10-D转录因子编码。PHS-3D过表达转化材料与对照野生型材料相比，平均发芽率降低38.5-55.1%，且通透性明显提高。Myb10-D通过同时调控类黄酮代谢途径(颜色基因R)与ABA合成途径（抗穗发芽基因PHS-3D）实现“一因多效”的作用。PHS-3D通过与ABA合成限速酶NCED启动子-192到-199区域SMRE元件结合，正向调节其表达，达到提高种子发育期ABA浓度的效果。此外，我们明确了白粒小麦普遍缺失3D染色体包含Myb10-D基因的2.4Mb区域。由此，我们明确了该基因同时调控小麦籽粒颜色与发芽率的内在联系，并为下一步白粒抗穗发芽小麦选育提供了新思路。