小麥是全世界主要的糧食作物之一，其產(chǎn)量主要由畝穗數(shù)、千粒重和穗粒數(shù)決定。穗型結(jié)構(gòu)影響小麥的小穗數(shù)、穗粒數(shù)和產(chǎn)量，是育種改良地重要的選擇性狀，挖掘小麥穗發(fā)育重要調(diào)控因子與解析分子調(diào)控機制，對小麥穗型的分子設(shè)計與精準改良、突破產(chǎn)量瓶頸具有重要意義。由于小麥功能基因組學(xué)發(fā)展較晚，穗發(fā)育關(guān)鍵基因挖掘及作用機制的研究尚處于初步階段。

近日，中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所肖軍課題組在Molecular Plant在線發(fā)表了題為“Systemic identification of wheat spike development regulators by integrated multiomics, transcriptional network, GWAS and genetic analyses”的研究論文，通過結(jié)合多維組學(xué)、群體遺傳學(xué)和基因功能解析等多種研究手段，提出了一種系統(tǒng)高效鑒定關(guān)鍵調(diào)控因子的策略。

肖軍課題組通過8個穗發(fā)育關(guān)鍵時期的轉(zhuǎn)錄組、染色質(zhì)可及性和多種組蛋白修飾測序，繪制了小麥穗發(fā)育過程的動態(tài)轉(zhuǎn)錄和表觀修飾圖譜，搭建了小麥穗發(fā)育過程的轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)（TRN）。多組學(xué)數(shù)據(jù)聯(lián)合分析發(fā)現(xiàn)，染色質(zhì)可及性、H3K27me3修飾和轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控等協(xié)調(diào)推動了小麥穗的開花轉(zhuǎn)變過程，生殖生長階段的核心TRN可能驅(qū)動了分生組織細胞身份轉(zhuǎn)變和穗型建成。TRN鑒定了一個TaSPL15-TaAGLG1-TaFUL2調(diào)控模塊，并通過之間實驗驗證了其層級調(diào)控關(guān)系。結(jié)合多維組學(xué)數(shù)據(jù)與群體遺傳學(xué)，鑒定到227個潛在的穗發(fā)育調(diào)控因子，其中42個基因在小麥或水稻中已證明參與穗發(fā)育過程。通過突變體庫對61個新基因進行通量表型鑒定，發(fā)現(xiàn)較高比例的基因突變導(dǎo)致開花時間或穗型的改變。

對一個新基因TaMYB30-A1進行功能研究和機制解析，發(fā)現(xiàn)啟動子區(qū)域的自然變異影響了WFZP對其的轉(zhuǎn)錄抑制。TaMYB30-A1優(yōu)異單倍型具有較高的表達量，增加穗長、可育小穗數(shù)和穗粒數(shù)，在小麥馴化和育種過程中受到選擇，可能在中國小麥品種改良過程中發(fā)揮了重要作用。

為促進小麥穗發(fā)育研究和分子設(shè)計育種，肖軍課題組與成都天成未來公司合作搭建了小麥穗發(fā)育多組學(xué)數(shù)據(jù)庫（WSMOD）（http://39.98.48.156:8800/#/），為研究人員提供包括基因信息查詢、共表達分析、TRN預(yù)測、表觀圖譜繪制及突變體庫檢索等模塊在內(nèi)的“一站式”服務(wù)。

綜上，該研究通過轉(zhuǎn)錄組、表觀組和群體遺傳學(xué)等多維數(shù)據(jù)聯(lián)合分析，揭示了基因轉(zhuǎn)錄與表觀調(diào)控共同驅(qū)動小麥穗發(fā)育過程的動態(tài)變化規(guī)律，搭建了小麥穗發(fā)育特異的轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，提出了一種系統(tǒng)、高效、準確鑒定關(guān)鍵調(diào)控因子的策略，并以新因子TaMYB30-A1為例展示了小麥穗特異TRN對于基因功能解析和小麥育種實際應(yīng)用的價值。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.molp.2024.01.010

小麥穗發(fā)育多組學(xué)數(shù)據(jù)庫網(wǎng)站 (WSMOD)