小麦是世界主要粮食之一，提高其生产力对满足人口增长需求和确保粮食安全至关重要。穗密度（SC）是重要的穗部相关性状，与小麦产量密切相关。因此鉴定、验证和克隆穗密度相关基因，解析其功能，可为小麦高产育种提供理论依据和实践指导，对培育高产小麦具有重要的意义。
近日，Plant Physiology发表了题为“The Tetratricopeptide repeat protein TaTPR-B1 regulates spike compactness in bread wheat”的研究论文。该研究通过精细定位，确定了一个四肽重复（TPR）蛋白编码基因TaTPR-B1为控制小麦穗密度的候选基因，通过基因敲除和过表达验证了TaTPR-B1对穗密度的调控作用，并开发了可用于现代小麦基因聚合育种的分子标记。
1.QTL定位
以KY5214和W8762为亲本构建KW-DH和KW-RIL群体，W8762的SC高于KY5214，后代家系出现超亲分离。对KW-DH群体进行QTL分析，在6个环境下鉴定出16个与SC相关的稳定QTL，其中QSc.cau-2D.1和QSc.cau-6B.1为主效QTL，分别解释16.62-35.04%和14.3-24.54%的表型变异，优异等位基因均来自W8762（图1）。
图1 KY5214和W8762及近等基因系的植株和穗部表型
2. QSc.cau-6B.1的精细定位
QSc.cau-6B.1位于小麦6BL染色体，紧密连锁的分子标记为Xcau.6B-175（710.83 Mb）和Xcau.6B-121（712.49 Mb），LOD值为7.19-13.04，并利用KW–RIL群体，进一步验证了QSc.cau-6B.1位置和遗传效应的准确性(图2)。
利用Xcau.6B-175和Xcau.6B-121为检测标记，从KW–RIL群体中筛选剩余杂合系（RHLs），构建了两个次级分离群体。基于KY5214和W8762的基因组重测序数据，开发了3个InDel标记和7个STARP标记用于筛选重组体，结果从两个次级分离群体中共获得6个重组体（RT1-RT6）。利用重组基因衍生的后代，将区间缩小至Xcau.6BSTARP26-2（711.53 Mb）-Xcau.6BSTARP35-2（712.03 Mb），物理区间为0.5 Mb。进行田间性状调查后发现，NILW8762的SC显著增加，SL显著降低，GW和TGW显著增加，GL和PHT无差异，表明QSc.cau-6B.1可增加小麦穗密度（图1、图2）。
图2 QSc.cau-6B.1的精细定位
3. TaTPR-B1的克隆与分析
在QSc.cau-6B.1区间内，仅TraesCS6B03G1214400（TaTPR-B1）在KY5214和W8762间存在32-bp InDel多态性（ATG下游380-411 bp）。KY5214中TaTPR-B1编码完整的包含352个氨基酸的蛋白质，W8762中由于32-bp缺失导致移码突变，形成了截短蛋白（图3）。TaTPR-B1编码TPR家族蛋白，主要在幼穗中表达，TaTPR-B1KY5214定位于叶绿体中，而TaTPR-B1W8762定位于叶绿体外（图4）。TaTPR-B1与TaTPR-D1为同源基因，蛋白序列相似性为94.90%。在RT6衍生后代中，TaTPR-D1KY5214和TaTPR-D1W8762在旗叶和幼穗中的表达水平有差异。
图3 KY5214和W8762中TaTPR-B1的序列比对
图4 TaTPR-B1的表达模式和亚细胞定位
4. TaTPR-B1/D1的敲除
CB037与KY5214相同，都含有完整的TaTPR-B1编码蛋白。通过CRISPR/Cas9基因编辑技术敲除CB037中TaTPR-B1/D1，产生1个Tatpr-b1/D1单突变体、3个Tatpr-B1/d1单突变体和3个Tatpr-b1/d1双突变体，与野生型（WT）相比，突变体的SC更高，SL更低，TSN和PHT无明显变化，表明TaTPR-B1和TaTPR-D1可能具有相似的功能（图5）。
图5 TaTPR 敲除系的表型
5. TaTPR-B1KY5214过表达
在Fielder中过表达TaTPR-B1KY5214，三个过表达系均表现出较低的SC和较高的SL，TSN和PHT无明显变化（图6）。
图6 TaTPR-B1K 5214-OE的表型
6. TaTPR-B1KY5214调节多种生物过程
对TaTPR-B1KY5214-OE和野生型Fielder的幼穗进行转录组分析，检测到912个差异表达基因（DEGs），其中592个上调DEGs显著富集在“热胁迫响应”和“细胞分裂素的生物合成”等通路，320个下调DEGs显著富集在“半胱氨酸生物合成”等通路，通过荧光定量PCR验证了部分DEGs的表达水平（图7）。
图7 TaTPR-B1KY5214-OE和野生型Fielder的转录组分析
7. TaTPR-B1等位基因频率分析
利用Xcau.IndelTaTPR-B1分子标记，在640个中国小麦品种和370个世界小麦品种中发现，TaTPR-B1仅存在TaTPR-B1KY5214（44.85%）和TaTPR-B1W8762（55.15%）两种等位基因型。在中国小麦品种中，TaTPR-B1KY5214的频率（45.16%）略低于TaTPR-B1W8762的频率（54.84%）。TaTPR-B1KY5214在大多数小麦产区频率较高（46.70%-96.97%），但在黄淮流域冬小麦区频率极低（21.32%）。在全球小麦品种中，欧洲、北美、南美和大洋洲的小麦品系中TaTPR-B1W8762频率高于TaTPR-B1KY5214，但在亚洲品系中TaTPR-B1W8762频率较低。1940-2024年审定的中国小麦品种中，TaTPR-B1W8762等位基因的比例逐渐增加。对432个小麦品种的表型差异分析表明，TaTPR-B1W8762等位基因使SC更紧密，SL更短，TSN无显著差异（图8）。
图8 TaTPR-B1单倍型分析
总结
小麦是主要粮食作物，提高产量至关重要，穗密度与产量相关。该论文通过对DH群体进行QTL定位，鉴定出16个稳定的SC相关QTL，对QSc.cau-6B.1进行精细定位，缩小至0.5 Mb物理区间，筛选出TraesCS6B03G1214400（TaTPR-B1）为候选基因，通过基因敲除和过表达实验验证了TaTPR-B1对SC的调控作用，并开发了可用于现代小麦育种的分子标记。研究结果为理解小麦穗密度的遗传基础提供了深入见解，同时开发的分子标记也为小麦基因聚合育种提供了实用工具，有助于提高小麦产量，对保障粮食安全具有积极意义。
原文链接：https://doi.org/10.1093/plphys/kiae546
