“我要上PC”—小麦领域Plant Cell上论文合辑（九）

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春晚看完了，马上正月十五了，年也就过完了。2018年已经过了六分之一啦！在咱们过年的假期里，小麦研究领域也是热闹的很：NG上背靠背发表了小麦抗叶枯病基因Stb6和无毒基因AvrStb6的克隆（节后工作第一天充电-小麦抗叶枯病Stb6的克隆）；PC上也发表了本年度的第二篇小麦领域的研究文章（第一篇是:新年伊始，重磅袭来——Plant Cell在线发表中国农大孙其信和辛明明团队关于小麦基因组印迹方面的研究），也就是我们今天解读的“TEOSINTE BRANCHED1 Regulates Inflorescence Architecture and Development in Bread Wheat (Triticum aestivum L.)”。

这篇文章主要由小麦研究重镇英国John Innes Centre和澳大利亚CSIRO合作完成，通讯作者是JIC的Scott A. Boden。Boden老师是小麦研究领域很活跃的年轻专家，早些年鉴定了Ph1的互作因子TaASY1（DOI:10.1111/j.1365-313X.2008.03701.x）, 2015年初在Nature Plants作为一作发表了小麦花穗发育调控基因Ppd-1 的研究工作（DOI:10.1038/nplants.2014.16），并于15年正式加入JIC。

小麦的花序为复穗状花序，其构型和发育直接关系到小麦的产量，因此有大量的研究围绕小麦花穗的构型和发育而展开。2017年4月-5月，中国农科院景蕊莲（DOI:10.1104/pp.17.00113）、孙加强（DOI:10.1104/pp.17.00445）和毛龙（DOI:10.1104/pp.17.00310）课题组分别在Plant Physiology上撰文报道了microRNA、SPL和AGO基因调控小麦花穗发育的研究成果，而在17年的8月，中科院遗传所的焦雨玲课题组也在PP上报道了小麦花穗发育的转录调控网络（DOI: 10.1104/pp.17.00694）。值得指出的是，孙加强组的研究中，通过同源克隆，找到了小麦中的TB1基因（也就是这篇最新PC文章研究的基因），并发现它可以被小麦SPL基因调控。

本研究与前述的四个反向遗传学研究不同，是一个“非典型”的正向遗传学研究。作者从他们前期构建的MAGIC群体中，筛选到一株近等基因系，其表现出更多的成对花穗（highly branched inflorescences with multiple paired spikelets）表型，因此命名为hb（highly branched）系（下图）。

为了探究hb系特殊表型的遗传机制，作者首先利用细胞遗传学手段，发现hb系中4D染色体出现了整体加倍现象，暗示4D染色体上某（几）个基因的剂量加倍是hb系特殊表型的原因（下图）；进一步利用图位克隆技术，将该表型的QTL位点定位到4DS的Rht-D1附近。由于Rht基因（绿色革命的关键基因）是赤霉素相关的基因，也有可能会影响花穗的构型和发育，所以作者先利用遗传材料排除了Rht-D1。利用基因组信息扫描Rht-D1附近的基因，发现了TEOSINTE BRANCHED1 (TB1)，一个在玉米、水稻、大麦等作物中证实参与花穗发育和构型的基因；且在玉米中，正是因为TB1的剂量差异引起了花穗的表型差异。

好了，接下来的工作就是验证TB1对于花穗的发育和构型至关重要啦。作者从组织特异表达，转基因系（下图，注意用的启动子）、EMS突变体及突变体与hb系的杂交的表型等角度，证实了改变TB1的剂量，可以引起花穗表型的变异。同时，作者进一步分析了TB1的作用机制，包括与FT1的蛋白互作、对VRN1等小麦花发育重要基因的表达调控等方面。

最后，作者利用多套核心种质库分析了TB1的单倍型，认为不仅4D上的TB1发挥作用，其4A和4B上的部分同源拷贝也具有一定的花穗调控作用。

Take-home message：这篇文章虽然没有最终直接图位克隆到基因，但是从群体构建、材料筛选、细胞遗传学分析，到后面的多种小麦遗传材料（尤其多套杂交材料）的应用，再到后面的分子实验和单倍型分析，环环相扣，既有经典的手段（如细胞遗传学结果），也有新兴的方法（如90K芯片的使用、最新的EMS突变体库材料），同时还有很多严谨地小细节（如Rht的排除等），值得细细品读。

小麦籽粒硬度Hardness Locus的进化研究

昨天我们小编Rui Wang推送了一篇关于小麦赤霉病抗性Fhb1基因克隆和鉴定分析的后续研究文章（有关Fhb1 gene (PFT) 的争议,漫谈小麦赤霉病，2017年小麦赤霉病抗性遗传资源与基因定位研究进展），引起了激烈的讨论。这让我也想起了春节期间我们推送的Ph1的争议和探讨（春节钜献: 揭开小麦Ph1的面纱-正史篇，春节钜献: 揭开小麦Ph1的面纱-外史篇，“我要上PC”—小麦领域Plant Cell上论文合辑（九））。Fhb1与Ph1一样，都是跨越了两个世纪、一直被几代小麦育种学家和遗传学家孜孜不倦研究的遗传位点，囿于时代和技术的局限性，彼时的研究难免会出现各种各样的证据不足和争议。科学就是这样，总是越辩越清，对的怎样辩论都还是对的；错了也没关系，科学共同体自会纠正。也希望大家理智辩论，共同进步~

今天要解读的是小麦研究史上另一个经典的遗传位点，控制小麦籽粒硬度的Hardness locus- 2005年发表在PC上的“Molecular Basis of Evolutionary Events That Shaped the HardnessLocus in Diploid and Polyploid Wheat Species (Triticum and Aegilops)”。文章主要由小麦研究重镇法国INRA等单位完成，通讯作者是Boulos Chalhoub。

小麦籽粒的硬度是小麦品质的重要指标。像驯化后的四倍体小麦(T. turgidum ssp durum)，由于全是硬的籽粒（故也称为硬粒小麦），适合用于pasta的制作。六倍体小麦资源中既有软粒（soft）种质也有硬粒（hard）种质，主要由5DS上的Hardness locus 控制，分布为soft (Ha) 和hard (ha) alleles。1998年在PNAS（PNAS 1998 May, 95 (11) 6262-6266）上，Hardness locus得到解析，主要是由于puroindoline a和b（pinA和pinB）来影响六倍体籽粒的硬度（负调控）。有趣的是，尽管A和B的二倍体小麦祖先种中存在pinA和pinB，但是四倍体驯化小麦中却不存在这两个基因，所以表现出硬粒表型。而六倍体小麦由于D组的加入，重新获得了pinA和pinB，故而表现出籽粒硬度的多样性。所以说小麦的Hardness locus从一定程度上反映了小麦的进化和驯化的过程。

这篇PC的文章，通过对T. monococcum, Ae. tauschii, T. turgidum ssp Durum, 和T. aestivum的Hardness locus及周边区域的BAC文库构建、测序和比对分析，首先详细分析了不同倍性品种中Hardness locus的转录本情况，发现了大量的基因组变异，包括转座子插入和基因组缺失、复制、倒位等现象。进一步地，作者分析了A和B上的Hardness locus区域，证实T. turgidum sspDurum 和T.aestivum中都不存在pinA和pinB。而进一步比对Ae. tauschii和T.aestivum中D组的Hardness locus区域，发现六倍体小麦中的Hardness locus区域比祖先种的Hardness locus区域小29kb，主要是由于转座子插入和基因组缺失（作者还找到了缺失高频的motif）导致的。

这篇文章，在现在小麦基因组公布的背景下，或许不再觉得多么的让人兴奋，而且用的品种也只有四份。但是，过去通过细胞遗传学等手段，大家公认小麦基因组是复杂的和活跃的，进化过程中和ABD之间存在很多故事，但是这篇文章是从ATGC的角度真真实实地展示了小麦基因组的这种特质。所以，这篇文章目前也有了三百多次的引用，14年Science小麦基因组专辑中籽粒高分辨率转录组的文章也专门验证了Hardness locus区域，并分析了pinA和pinB的表达情况。每一次推进，回过头去看或许都是一小步，但这每一小步只要严谨踏实，就实现了小麦的大发展。

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