2024年2月26日，The Plant Journal 在线发表了四川农业大学王际睿课题组题为“Variation of TaMyb10 and their function on grain color and pre-harvest sprouting resistance of wheat”的研究成果。

穗发芽（Pre-harvest Sproutin）是禾本科作物成熟但未收获的籽粒在高温高湿环境下穗上发芽的现象，造成产量与质量大幅度下降。参与小麦抗穗发芽基因中，PHS-3D（TaMyb10-D）起着至关重要的作用。前期该课题组利用人工合成六倍体SHW-L1（红粒，抗穗发芽）与栽培品种川麦32（白粒、感穗发芽）杂交构建高代RILs群体，定位到qPHS.sicau-3D位点，解释42.47%的表型变异，且qPHS.sicau-3D与调控籽粒颜色R位点相近（Yang et al.,2019）。进一步，通过精细定位、基因功能研究、转录组学和代谢组学分析表明，TaMyb10-D编码类黄酮代谢途径(籽粒红色基因R)和ABA合成途径（抗穗发芽基因PHS-3D），实现“一因多效”的作用，阐明了小麦籽粒颜色和发芽率的内在联系（Lang et al.,2021）。

本研究对416份面包小麦和302份节节麦的TaMyb10基因序列变异进行分析，鉴定出3个PAV变异和8个SNP变异。61.3％的种质资源在TaMyb10-A序列中存在214～305个碱基的缺失；79.3％的种质资源在TaMyb10-B序列第三外显子区域具有19个碱基的缺失；40.8％的种质资源由于3D染色体上缺乏2.4 Mb的片段（插入/缺失突变），导致该区段的TaMyb10-D/PHS-3D缺失。3个PAV变异和8个SNP变异共产生13种基因型，其中4种基因型具有PAV变异导致不能编码成熟蛋白，剩下的9种基因型编码5种成熟蛋白类型，尽管5种蛋白类型具有序列变异，但五种不同的蛋白质类型在结合下游基因（CHS，DFR和NCED）启动子方面具有相似的功能。TaMyb10-A、TaMyb10-B和TaMyb10-D在调控籽粒颜色和穗发芽抗性中具有功能冗余。

1. 面包小麦和节节麦中TaMyb10 CDS序列变异

小麦是异源多倍体，具有A、B、D三个基因组。对416份小麦和302份节节麦中Myb10的CDS序列进行分析，鉴定出3个PAV变异和8个SNP变异。针对这些变异，成功开发三个STS标记和4个KASP标记。这些变异共产生13种基因型，其中4种基因型具有PAV变异导致不能编码成熟蛋白，剩下的9种基因型编码5种成熟蛋白类型。

图1 TaMyb10序列变异和标记开发

2. TaMyb10不同基因组地理分布

对416份小麦品种进行地理分布分析，TaMyb10-A-IIIDele、TaMyb10-B-IVDele和TaMyb10-D-VDele基因型在小麦种群中占主导作用。

图2 TaMyb10 不同基因型地理分布

3. TaMyb10五种蛋白类型在类黄酮和ABA途径中与下游基因的结合功能

通过分析TaMyb10-D-I过表达（OE）株系转录组数据，鉴定到21个类黄酮合成途径上调基因，这些被认为是TaMyb10激活的候选基因。酵母单杂结果表明，TaMyb10-D-Pro I激活CHS-7500、CHS-7700、CHS-8400、CHS-8700、DFR-7900、DFR-8000启动子区域。且TaMyb10-A-Pro I、TaMyb10-B-Pro I、TaMyb10-A-Pro II和TaMyb10-D-Pro II蛋白类型具有相似的功能。

图 4 TaMyb10高度保守氨基酸序列绑定激活下游基因启动子

4. TaMyb10的保守序列调控下游基因

五种TaMyb10蛋白序列一致性为95.32%，在C端序列中分离出三个高度保守的片段，以评估TaMyb10的C端结构域残基是否能够与下游基因的启动子结合。酵母单杂结果表明，187-215的氨基酸结构域对CHS-7700和DFR-7900启动子的结合能力；147-163的氨基酸结构域对CHS-8700、DFR-7900和NCED-8800启动子的结合能力；221-231的氨基酸结构域对CHS-8400和DFR-8000启动子的结合能力。上述结果表明，激活区域的氨基酸序列高度保守，导致TaMyb10的五种蛋白可以结合并激活下游基因。

5. TaMyb10与籽粒颜色和发芽率的关系

为了评估TaMyb10在A、B和D基因组对种子发芽率（GPs）和谷物颜色的调节影响，选择了六份具有明显TaMyb10组合差异材料进一步研究。JiangXiZao和Mocho Cabecudo在A、B和D基因组都具有完整的TaMyb10。Chuanmai104在A和D基因组具有完整的TaMyb10；Chinese Spring（CS）只在D基因组中具有完整TaMyb10；Shumai580和Fielder在A、B和D基因组都缺乏完整的TaMyb10。下游基因（除DFR-8000以外）在不含有完整TaMyb10基因型的材料SM580和Fielder表达较低或者不表达，在含有任何完整TaMyb10基因型材料中正常表达。

对229个小麦品种评估TaMyb10、种子颜色和穗发芽（PHS）抗性之间的关系。150份材料具有TaMyb10-A-IIIDele、TaMyb10-B-IVDele和TaMyb10-D-VDele基因型，平均GPs为84.31%。23份材料只含有完整TaMyb10-A，平均GPs为73.81%。6份材料只包含完整TaMyb10-B，平均GPs为79.86%。4份材料只包含完整的TaMyb10-D，平均GPs为24.30%。13份材料在A、B和D基因组含有完整TaMyb10基因型，平均GPs为30.43%。TaMyb10-A、TaMyb10-B和TaMyb10-D对表型变异贡献率分别为4.36%、10.29%和37.32%。这些结果表明，TaMyb10的功能作用在不同品种中是普遍适用。

图5 TaMyb10与籽粒颜色和发芽率的关系

本研究通过序列变异分析、功能研究、表型变异分析，增进了对Myb10的序列变异和功能分化的理解，为小麦的穗发芽抗性提供了必要的资源。

四川农业大学小麦研究所在读博士郎静为本论文的第一作者。本研究得到了中国科技创新2030重大项目（2023ZD04069）、国家农业科技成果转化资金（NK20220607）、国家自然科学基金（U22A20472；32301837；32301810）、国家重点研发计划（2018YFE0112000）、四川省科技支撑计划（2021YFH0077；23NSFSC0770）、成都市科技支撑计划（2021-GH03-00002-HZ）和国家人类遗传资源共享服务平台开放基金（SKL-ZD202212）支持。

近年来，随着生活水平的提高，肥胖症、糖尿病和肠道疾病发生的几率显著增加。抗性淀粉具有降低血糖血脂、预防直肠癌等肠道和心脑血管疾病等多种保健功能，是理想的膳食来源。大麦是世界第四大禾谷类粮食作物，是藏族同胞的主粮。大麦籽粒中淀粉约占50%-70%，高抗性淀粉含量大麦可用作功能性和健康食品的重要原料。然而常规栽培大麦抗性淀粉含量较低不利于其在功能性食品生产上的应用。以CRISPR/Cas9系统为代表的基因组编辑工具有着简易、高效和精准的特性，为通过遗传修饰创制高抗性淀粉大麦提供了关键技术支撑。

该研究利用CRISPR/Cas9多基因编辑技术对部分编码大麦可溶性淀粉合成酶、淀粉分支酶等多个淀粉合成关机键基因进行靶向敲除。通过后代基因型鉴定得到了多种不同基因型的单基因、多基因缺失突变体，通过突变体籽粒组成及淀粉特性分析解析大麦淀粉合成酶基因及其互作对抗性淀粉合成的作用机制，相关成果“Genome editing of five starch synthesis genes produces highly resistant starch and dietary fibre in barley grains”发表在国际著名学术期刊《Plant Biotechnology Journal》。

该研究通过一次遗传转化在大麦中完成了对SSIIa、SSIIIa、SSIVa、SBEIIa、SBEIIb基因的靶向敲除。通过突变体后代自交分离鉴定获取了ssIIa、ssIIIa、ssIVa、sbeIIa、sbeIIb五个单基因缺失突变体，ssIIassIIIa、ssIIassIVa、sbeIIasbeIIb、ssIIassIIIassIVa、ssIIasbeIIasbeIIb五个多基因缺失突变体。籽粒组成测定结果显示，不同基因型突变体在抗性淀粉等健康有益成分含量上表现突出。其中，sbeIIasbeIIb和ssIIasbeIIasbeIIb突变体中抗性淀粉含量约为对照材料的35倍；ssIIassIIIa和ssIIassIVa突变体中抗性淀粉含量约为对照材料的10倍；sbeIIa和ssIIassIIIassIVa突变体中抗性淀粉含量分别约为对照材料的7倍和2倍；ssIIa、ssIIassIIIa、ssIIassIVa、sbeIIasbeIIb、ssIIassIIIassIVa、ssIIasbeIIasbeIIb突变体中果聚糖含量显著高于对照；ssIIa、ssIIIa、ssIIassIVa、ssIIassIIIassIVa、ssIIasbeIIasbeIIb突变体中β-葡聚糖含量显著高于对照；ssIIa、ssIIIa、ssIIassIIIa、ssIIassIVa、sbeIIasbeIIb、ssIIassIIIassIVa、ssIIasbeIIasbeIIb突变体中的纤维素含量显著高于对照。通过突变体淀粉特性分析，研究人员发现不同突变体在淀粉粒形态和组成、膨胀度、热力学特性、链长分布等参数上存在较大差异。综上所述，该研究创制了高抗性淀粉大麦新种质，解析了大麦淀粉合成酶基因及其互作对抗性淀粉合成的作用机制，为健康功能大麦培育提供了理论依据和技术支撑。

小麦研究所已毕业博士研究生杨强为该文第一作者，我所江千涛教授、澳大利亚Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation 李忠谊研究员为该文通讯作者。该研究得到四川省国际科技合作项目(2023YFH0041)的支持。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.14324

面对全球人口持续增加、气候变化、资源约束等重大挑战，作物育种不但要瞄准增加产量潜力的目标，而且要注重品种对气候变化的耐受性以及环境的可持续性。充分挖掘利用各种基因资源，优化品种基因型，推动品种创新，势在必行。但是，目前基因发掘与品种创新存在明显脱节，急需寻找解决方案。

近日，四川农业大学刘登才教授在The Crop Journal在线发表了题为“Towards cultivar-oriented gene discovery for better crops”的综述文章，作者回顾了引起基因发掘与品种创新“脱节”的几个常见问题，提出了解决问题的相关建议。

由于遗传研究材料的产量水平落后于育种亲本、遗传分析不重视群体评价、试验环境缺乏代表性等原因，忽视了对所鉴定基因育种应用潜力的有效评价，导致基因发掘与品种创新“脱节”。作物的产量性状非常复杂，且作物整个生命周期内每天的生长状态都可能最终影响产量。作物生长受到基因间及其与环境的复杂动态互作影响，基因表达受到时空和环境变化影响。因此，有理由认为，任何影响作物生长状态的基因都可能与产量有关，至少在某些情况下会影响产量。产量遗传的复杂性可以用2017提出的全基因（omnigenic，omni=all）模型解释，该模型最初用于阐释人类复杂性状，后来应用到其它生物的复杂性状研究。

从有利于育种的角度，作者提出基因发掘有必要以育种为导向，即采用“品种创新为导向的基因发掘”策略（cultivar-oriented gene discovery，COGD），其包括三个核心标准（图1）：一是试验材料的产量应达到或接近当前推广品种的水平；二是试验条件和田间管理能够反映当地目前的生产状况；三是利用统一的田间表型鉴定平台提高表型数据可比性、通用性和再利用性。该平台保持相对一致的试验条件、鉴定方法及标准化的试验记录，类似于品种区域试验平台。该平台整合遗传、育种、农学等学科研究人员，形成从基因到品种的转化联盟，推动遗传研究和品种创新。

图1 COGD的三个核心标准

大麦作为世界第四大禾谷类粮食作物，因其富含碳水化合物、蛋白质、矿质元素、膳食纤维、葡聚糖等生物活性成分被保健食品行业所关注。在我国青藏高原地区，大麦是藏族同胞的主要口粮。随着生活水平的提高，消费者对富含抗性淀粉的健康食品需求不断增加。大麦籽粒具有较高的营养价值，提高抗性淀粉含量可进一步增强大麦营养健康功能。

该研究利用SDS-PAGE鉴定出了一份ss2a缺失突变体（M3-1413）。基因功能分析发现EMS诱变引起ss2a第一内含子3'端的RNA剪接受体（AG）发生单碱基突变，导致RNA不能正常剪辑，产生两种异常的ss2a转录本，因此导致了ss2a基因失活。ss2a基因的突变失活使大麦抗性淀粉含量大幅升高，约为野生型的9倍。相较于野生型大麦，突变体中淀粉粒形态和淀粉链长等微观结构、理化特性和消化特性等均发生了显著变化。ss2a基因的失活，也导致其他淀粉合成途径相关基因的表达量发生了变化。本研究有助于揭示麦类作物抗性淀粉合成机制，并为高抗性淀粉育种提供种质资源。

本研究以“Barley SS2a single base mutation at the splicing site led to obvious change in starch”为题发表在学术期刊Journal of Integrative Agriculture(《农业科学学报》(英文)上https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095311923003738。四川农业大学小麦研究所江千涛教授为该文章的通讯作者，硕士研究生王棒、刘静为共同第一作者。该研究得到了国家农业科技重大项目（NK20220607）和四川省科技厅国际合作项目（2023YFH0041）的资助。