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单位面积有效穗数、穗粒数、粒重是构成小麦籽粒产量的三要素,科学地协调三者关系有助于获得高产。在产量三要素的调控过程中,细胞分裂素(CTK)起着关键作用,而作为细胞分裂素分解代谢的关键酶——细胞分裂素氧化酶(CKOX),该基因变异势必影响CTK代谢,从而影响小麦籽粒产量及相关性状。PEBP-like基因也参与了高等植物细胞分裂,控制果实/籽粒的大小、形状及重量;小麦PEBP-like基因的变异也会影响籽粒大小及粒重。本文利用籽粒大小、形状及粒重等产量相关性状差异显著的3个品种,京411、红芒春21和万县自麦,分别构建2个RILs群体,京411×红芒春21和万县白麦×京411,用于研究CKOX、PEBP-like基因与小麦籽粒产量及相关性状的关系,主要结果如下:
(1)小麦细胞分裂素氧化酶基因TaCKOX6a02、TaCKOX4、TaCKOX5b与籽粒产量及相关性状(籽粒大小、粒重、穗粒重、籽粒密度及产量等)关系密切,分别位于3D、3A和3B染色体上,其中TaCKOX6a02对籽粒产量及相关性状贡献较大。在京411×红芒春21RILs群体中,除第3染色体组外,其它染色体上也有QTL位点控制产量及相关性状,如2B、2D、4B、4D、5B、6D等,但其解释性状变异的效应值低于与TaCKOX6a02基因紧密连锁的位点。
(2)小麦推广品种中,TaCKOX6a02基因的等位类型多为“A”型,籽粒较大、粒重较高;而“B”型普遍分布在农家品种及地方品种中,籽粒较小、产量较低。中国春缺体-四体定位结果表明,TaCKOX6a02、TaCKOX4分别位于3D、3A上,与QTL定位结果一致。
(3)TaCKOX6a02基因测序及比对结果表明,该基因与水稻OsCKOX2具有较高的相似性,分布在“共线”的染色体上。TaCKOX6a02的A型等位基因中,其5’端发生单碱基插入,导致无义突变,编码区形成终止密码子,从而使该基因功能丧失或减弱,而B型可翻译成有功能蛋白。
(4)小麦籽粒发育过程中,TaCKOX6a02的“A”型等位基因的表达丰度显著低于“B”型。具有“A”型的小麦品种如豫麦8679、京411,籽粒发育时期含有较高内源CTK,籽粒生长期较长、籽粒较大,干重增长快;而具有“B”型的小麦品种如红芒春21、红芒春31正相反。
(5)通过京411×红芒春21和万县白麦×京411两个RILsQTL定位及中国春缺体-四体染色体定位结果表明,小麦PEBP-like位于4D染色体上,影响籽粒大小、形状及粒重。在京411×红芒春21RILs群体中,该基因解释的表型变异小于万县白麦×京411RILs群体。同时,在万县白麦×京411RILs群体中,2D、3B和3D上也存在QTL位点影响籽粒大小及粒重。
(6)PEBP-like基因序列变异多发生在5端不翻译区域,但其保守的PEBP-like结构域发生氨基酸变异,可能会对其功能产生影响。该基因PEBP-like结构域与水稻GS3基因具有很高的序列一致性,说明两者具有相似的功能,控制籽粒大小,同时该基因也分布在小麦(4D)和水稻(3R)共线的染色体上。