作科所在小麦淀粉合成通路基因的遗传效应及育种选择研究上取得新进展

近日，中国农业科学院作物科学研究所作物基因资源发掘与利用创新团队在小麦淀粉合成分子机制及育种选择研究方面取得新进展，发现小麦籽粒淀粉合成关键酶基因TaAGP-L和TaAGP-S1经历了人工选择，且发现淀粉合成通路上的多个重要酶基因在影响粒重时以简单加性效应为主。相关研究论文“ADP-glucose pyrophosphorylase genes, associated with kernel weight, underwent selection during wheat domestication and breeding”发表在《Plant Biotechnology Journal》杂志上。

小麦的粒重是育种家关注的重要农艺性状之一，与产量直接相关。普通小麦籽粒成分的65%—80%是淀粉，研究淀粉的合成对提高小麦粒重至关重要。淀粉的合成通路涉及多个重要的合成酶，其中ADP-葡萄糖焦磷酸化酶（TaAGP）是影响淀粉合成的一个重要限速酶。TaAGP是由两个大亚基（TaAGP-L）和两个小亚基（TaAGP-S）组成的蛋白四聚体，在淀粉合成通路中催化葡萄糖-1-磷酸转化为ADP-葡萄糖（淀粉合成的基础底物）。

该团队通过研究发现TaAGP大小亚基基因分别位于小麦第1及第7同源群，其中TaAGP-S1-7A和TaAGP-L-1B存在多个多态性位点，分别形成四种单元型。通过相关性分析发现在多个小麦群体中，两基因的优异单元型与高千粒重显著相关，并且这些优异单元型在我国育成群体及欧美群体中均经历了正向选择。根据其中的重要变异位点，开发了两个功能性的CAPS标记用于有效区分优异与非优异单元型。转基因研究证明，优异单元型与非优异单元型间的效应差异主要源于蛋白结合底物能力及启动子驱动能力的差异。通过分析小麦二倍体及四倍体祖先种中的基因序列，发现对AGP-S1和AGP-L-1B的选择作用主要发生在小麦六倍体化过程之后。结合该团队对小麦蔗糖合酶（TaSus）的研究还发现，淀粉合成通路上的多个酶基因的优异单元型在影响粒重效应上以简单加性效应为主，这一发现为小麦高产分子辅助育种提供了理论基础。这一工作是该团队继2014年对影响小麦粒重的重要基因TaSus1、TaSus2的研究基础上取得的又一突出进展。

本研究得到了国家重点研发计划“七大农作物育种”试点专项、“转基因生物新品种培育”重大科技专项、国家自然科学基金项目的资助。作科所侯健助理研究员为论文第一作者，张学勇研究员为论文通讯作者。