现在的位置: 旱区作物逆境生物学国家重点实验室» 科研动态»

【科研新进展】植物免疫研究团队在小麦气孔指数遗传调控方面取得新进展

近日,植物免疫研究团队在国际知名期刊Plant, Cell & Environment上发表了题为“Genome-wide association study revealed  TaHXK3-2A as a candidate gene controlling stomatal index in wheat seedlings”的研究论文,解析了小麦气孔指数遗传基础,发掘并阐明了己糖激酶基因 TaHXK3-2A 调控小麦气孔密度和抗旱性的生物学功能。我室博士研究生李淑敏和余世洲博士为论文并列一作,毛虎德副研究员和康振生院士为该论文的共同通讯作者。

气孔是控制植物与环境气体交换的重要通道。气孔开度、大小、密度等性状的调控会极大地影响植物光合作用和水分利用效率,进而影响产量。因此,发掘小麦气孔相关性状的多样性和遗传基础,将为提高小麦的生产力和抗逆性提供重要的信息。小麦种质资源丰富,在长期的自然进化和人工选择中积累了大量自然变异,这些自然变异也是许多重要农艺性状形成的基础。因此,解析小麦气孔性状的遗传基础,挖掘重要的调控基因对于小麦遗传改良具有重要意义。

该研究利用小麦叶片表皮显微图像气孔指数自动统计的方法,完成了539份小麦种质叶片气孔指数的高通量采集,结合小麦660K芯片扫描获得的遗传标记数据,通过全基因组关联分析(GWAS),解析了叶片气孔指数的遗传基础,发掘了130个与小麦幼苗叶片气孔指数显著关联的SNP。这些显著关联的SNP主要分布在小麦16条染色体上,涉及2625个参与应激反应、代谢和细胞/器官发育相关的候选基因。进一步通过BSA-seq、基因表达分析和候选基因关联分析,解析了2A染色体上决定小麦幼苗叶片气孔指数的主效遗传位点,挖掘并明确了己糖激酶基因 TaHXK3-2A 调控小麦气孔密度的生物学功能。另外,研究表明, TaHXK3-2A 过表达小麦株系对干旱更加敏感。进一步代谢组学分析发现 TaHXK3-2A 过表达株系通过调控葡萄糖代谢途径降低了叶片表皮细胞的大小,从而导致气孔密度增加。由于蒸腾作用增强,最终导致了 TaHXK3-2A 过表达株系对干旱更加敏感。

原图-650.jpg

TaHXK3-2A 调控小麦抗旱性的作用机制

该研究率先通过高通量图像识别及统计方法,分析了小麦叶片气孔指数的多样性,并解析了小麦叶片气孔指数的遗传基础,丰富了植物气孔性状调控的遗传信息。同时,发现了己糖激酶(HXK)家族基因新的调控功能,为气孔性状的改变影响植物水分利用效率和抗旱性提供了新的科学证据,为小麦抗旱遗传改良提供新的思路。

该研究得到了国家自然科学基金、陕西省自然科学基础研究计划等项目的资助。

原文链接:http://doi.org/10.1111/pce.14342