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【科技前沿】

本報北京5月6日電（記者陳鵬） 日前，《自然》雜志在線發(fā)表了中國農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院小麥研究中心最新研究成果《基于油菜素內(nèi)酯和赤霉素激素平衡創(chuàng)制高產(chǎn)半矮稈小麥》。研究團隊通過多年大規(guī)模田間表型調(diào)查和遺傳學研究，鑒定到一個顯著提升小麥群體產(chǎn)量的關(guān)鍵位點，為高產(chǎn)高效半矮稈小麥新品種培育提供了重要基因資源和新的育種策略。這項研究還鑒定到一個油菜素內(nèi)酯（Brassinosteroid，BR）信號轉(zhuǎn)導的關(guān)鍵正調(diào)控因子ZnF，在理論上加深了對BR信號途徑的認識。中國農(nóng)業(yè)大學博士研究生宋龍、副教授劉杰為該論文的共同第一作者，教授倪中福為論文通訊作者。

研究團隊介紹，國內(nèi)外實踐表明，品種對提高作物單產(chǎn)的貢獻率達到40%以上，其中關(guān)鍵基因的發(fā)掘和利用對小麥產(chǎn)量遺傳改良起到重要推動作用。比如，20世紀中葉的“綠色革命”通過利用Rht-B1b或Rht-D1b等矮稈基因，顯著降低小麥株高，提高了收獲指數(shù)，解決了植株倒伏問題，從而實現(xiàn)了單產(chǎn)的大幅度提升。但是，Rht-B1b或Rht-D1b矮稈等位變異同時存在粒重和氮素利用效率顯著降低等不良效應。因此，挖掘和利用新的矮稈基因資源，培育不依賴于Rht1-B1b或Rht1-D1b的半矮稈小麥品種，一直是小麥遺傳育種領(lǐng)域關(guān)注的熱點問題之一。

中國農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院小麥研究中心歷時十年，基于正向遺傳學研究策略，在4B染色體短臂上鑒定到一個協(xié)同提升小麥產(chǎn)量和氮素利用效率的半矮稈位點。該位點為一段500Kb左右的大片段缺失，導致3個緊密連鎖的基因丟失，即Rht-B1/EamA-B/ZnF-B，命名為r-e-z單倍型。與綠色革命基因型Rht-B1b相比，r-e-z缺失單倍型保持了半矮稈株型，且莖稈強度、耐密性、收獲指數(shù)、千粒重和產(chǎn)量等均有顯著提升。在群體水平下，缺失單倍型可使小麥增產(chǎn)10%以上。

為了解析決定r-e-z遺傳效應的候選基因，研究人員利用基因編輯技術(shù)創(chuàng)制了3個基因（Rht-B1/EamA-B/ZnF-B）的不同類型突變體。結(jié)果顯示，與野生型Fielder（Rht-B1b）相比，赤霉素（Gibberellin，GA）信號的負調(diào)控因子Rht-B1b功能喪失導致株高、穗長和粒重顯著增加；ZnF-B功能缺失表現(xiàn)出株高和千粒重降低的表型，但是穗長沒有顯著差異；EamA-B敲除株系與野生型之間沒有觀察到表型改變。研究還發(fā)現(xiàn)，Rht-B1b和ZnF-B同時突變與r-e-z遺傳效應基本相似。

單倍型分析結(jié)果表明，增產(chǎn)的缺失單倍型為稀有的變異類型，僅在我國的12份種質(zhì)資源中存在。通過標記輔助選擇策略，結(jié)合常規(guī)育種，初步選育出4個整合r-e-z單倍型的高產(chǎn)、半矮稈小麥苗頭品系，在群體條件下產(chǎn)量比高產(chǎn)主栽品種“良星99”提高6.5%~15.2%。

這個研究還發(fā)現(xiàn)，利用r-e-z單倍型介導的BR和GA激素再平衡，可以培育出矮稈抗倒、高產(chǎn)和氮素高效利用的小麥品種，在突破現(xiàn)有綠色革命品種產(chǎn)量瓶頸方面有潛在的重要育種利用價值。