年5月25日，MolecularPlant在线发表了中国农业大学小麦研究中心题为“EctopicExpressionofVRT-A2UnderliestheOriginofTriticumpolonicumandT.petropavlovskyiwithLongOuterGlumeandGrain”的研究论文。
以及南京农业大学细胞遗传研究所“AnaturalvariationofanSVPMADS-boxtranscriptionfactorinTriticumpetropavlovskyileadstoitsectopicexpressionandcontributestoelongatedglume”的文章，
中国农业大学小麦研究中心研究团队通过图位克隆鉴定了四倍体波兰小麦和六倍体新疆稻麦长颖壳性状控制基因P1，并阐明了其分子作用机制。
南京农业大学细胞遗传研究所同样利用图位克隆策略，克隆了新疆小麦（又称新疆稻穗麦、新疆稻麦子）控制长颖/长粒的P1基因，该基因编码SVP类型的MADS转录因子TaVRT-A2，由于进化过程中TaVRT-A2第一内含子内部发生了序列插入/缺失变异，引发新疆小麦TaVRT-A2表达变化，从而导致其长颖/长粒的表型
波兰小麦（Triticumpolonicum）是四倍体裸粒栽培小麦，具有春性或弱冬性，主要生长在地中海沿岸和埃塞俄比亚，在中国等地也有少量分布。波兰小麦因具有长而柔软的颖壳（长度可达4cm），在植物分类学上被定义为一个独立的亚种（图1）。新疆稻麦（TriticumpetropavlovskyiUdacz.etMigusch），又称稻穗麦，是中国特有的六倍体小麦种之一，生长于新疆维吾尔自治区东南部和天山南坡海拔~m的农区。与波兰小麦类似，新疆稻麦也具有长颖壳。前人研究表明，波兰小麦和新疆稻麦的长颖壳性状可能都与位于7A染色体上的P1位点相关，但具体的基因和分子作用机制尚不明确。
中国农业大学研究团队以波兰小麦材料（长颖壳）和四倍体小麦品种津硬8号（短颖壳）为亲本构建了F2、F3和F4群体，并将P1基因位点定位于7A染色体短臂约46.kb的区间内。根据中国春参考基因组注释信息，该区间内仅包含一个高可信度基因TraesCS7A01G（注释为VRT-A2基因，编码MADS-box转录因子）和一个低可信度基因TraesCS7A02GLC。基因组重测序数据证实，和津硬8号基因组之间仅在VRT-A2基因内含子区存在一段序列多态性差异，具体表现为：与津硬8号（或中国春）基因组相比，波兰小麦来源的VRT-A2第一内含子区域有一段bp的序列缺失，并伴随一段bp未知序列的插入。进一步分析发现，这一序列变异导致VRT-A2基因在波兰小麦的穗中异位激活。转基因实验表明，穗部异位表达VRT-A2基因可使普通小麦品种Fielder出现长颖壳表型，证实了VRT-A2即为控制波兰小麦长颖壳性状的P1基因（图1）。
图1波兰小麦长颖壳表型及VRT-A2转基因功能验证
根据VRT-A2第一内含子序列变异开发了分子标记，并对国内外收集的上千份不同倍性小麦材料进行基因型鉴定，发现只有波兰小麦和新疆稻麦中存在这一类型变异，并且变异类型完全相同（图2）。这一结果从分子层面证实了新疆稻麦来源于波兰小麦的假设。
针对于这一假设，上世纪80年代，南京农业大学细胞遗传所刘大钧院士也带领团队，利用端体测交等经典细胞遗传学技术，初步探索了新疆小麦的起源与演化途径，进而推测波兰小麦（T.polonicum，AABB）参与了新疆小麦形成（齐莉莉等，）；利用SSR分子标记分析，发现新疆小麦与本地波兰小麦的遗传距离最近，也支持波兰小麦参与新疆小麦形成的结论（王海燕等，）。
图2不同倍性小麦材料中P1内含子变异基因型分析
VRT-A2内含子区的序列变异（bp缺失+bp插入）与该基因在波兰小麦穗中的异位表达之间有怎样的分子联系？为回答这一科学问题，中国农业大学研究团队分别从DNA甲基化和组蛋白甲基化/乙酰化修饰等方面入手，对VRT-A2基因区域的表观遗传修饰水平进行了分析。结果表明，波兰小麦中VRT-A2基因区域的H3K27me3甲基化水平明显降低，而H3Ac乙酰化水平显著升高，这可能是导致VRT-A2在波兰小麦穗中异位激活的一个关键因素。
与此同时，中国农业大学研究团队对波兰小麦中缺失的bp内含子序列以及新产生的bp未知序列进行了深入分析，发现bp序列是VRT-A2基因转录的关键负调控顺式元件，通过招募TaMFS1等负调控转录因子来抑制VRT-A2基因的转录；而bp序列则来源于其侧翼序列的串联重复，并对VRT-A2基因转录起激活作用。这一转录抑制元件的缺失和转录激活元件的插入，共同导致了波兰小麦VRT-A2基因的过量表达和异位激活（图3）。
图3VRT-A2基因功能分子模型
南京农业大学细胞遗传所为发掘和利用新疆小麦的优良基因，先后构建了重组自交系（RIL）群体和染色体片段（代换系）CSSL群体，利用SSR、小麦55KSNP芯片等构建遗传图谱，定位了长颖、长穗等多个新疆小麦特有性状位点；结合次级分离群体和交换单株筛选，将P1基因定位于包含12个注释基因的Kb物理区间（图4）；
图4表达分析预测定位区间内的G2（TaVRT-A2）是P1的候选基因
进一步通过转录组测序、突变体创制（图5），确定SVP类型的MADS-box基因TaVRT-A2是唯一的候选基因。序列比较发现，正常颖长小麦品种中国春TaVRT-A2第一内含子中的一段bp序列在新疆小麦中缺失，取而代之是一段bp序列，该插入缺失（Indel）标记的bp带型与长颖性状共分离；正常颖长小麦品种中过量表达TaVRT2显著增加了护颖和外颖长度，且伸长幅度与转基因的表达水平呈正相关（图6）。近等基因系和突变体分析表明，P1可以增加穗长、粒长和千粒重等产量性状，但增加不育小穗数和减少总小穗数（图7），克隆该基因解析其作用机制，有望通过优化其表达水平提高作物产量。
图5新疆小麦的TaVRT-A2提前终止突变体NAU32护颖变短
图6在Fielder中过量表达TaVRT-A2显著增加了护颖和外颖的长度
图7携带P1的CSSL系LZP87和扬麦穗部性状比较
南京农业大学细胞遗传所研究还发现，正常颖长的小麦品种，TaVRT-A2在幼苗期表达正常，而穗部表达水平极低，推测第一内含子的bp序列可能与TaVRT-A2低表达调控有关，但这种低表达模式与bp甲基化修饰无关，可能与bp序列中保守存在的两个转录因子结合基序有关（图8），其可能作为沉默子调控TaVRT-A2表达。
图8TaVRT-A2内含子1的bp序列含有保守的转录因子结合基序，可能作为沉默子参与调控该基因的开关
Liuetal.（）和Adamskietal.（）发现，四倍体波兰小麦长颖性状也由TaVRT-A2基因控制。南京农业大学细胞遗传所研究克隆了17个不同波兰小麦品系中的TaVRT-A2，比较发现其序列完全相同且均为bp类型。进一步证明新疆小麦的形成与波兰小麦有关，其P1基因可能来源于由普通小麦与波兰小麦杂交后代。
EctopicExpressionofVRT-A2UnderliestheOriginofTriticumpolonicumandT.petropavlovskyiwithLongOuterGlumeandGrain作者简介：
中国农业大学小麦研究中心博士生刘静为本论文第一作者，倪中福教授和刘杰副教授为共同通讯作者。孙其信教授对该工作进行了关键性指导。彭惠茹教授、辛明明教授、姚颖垠教授、宿振起教授、郭伟龙副教授、胡兆荣副教授与邢界文老师指导了部分工作。该研究得到国家自然科学基金（，和）项目的资助。
AnaturalvariationofanSVPMADS-boxtranscriptionfactorinTriticumpetropavlovskyileadstoitsectopicexpressionandcontributestoelongatedglume作者简介：
王秀娥教授和王海燕教授为该文的共同通讯作者、肖进副教授、博士研究生陈妍和硕士研究生卢一帆为共同第一作者，张文利教授参与了本研究。该研究得到了国家重点研发专项和国家自然科学基金等项目资助。
致谢
感谢新疆农科院丛花老师、四川农业大学刘登才老师和魏育明老师、南京农业大学王秀娥老师、华中农业大学孙东发老师、中国科学院遗传与发育生物学研究所韩方普老师、中国农业科学院杨欣明老师以及中国农业大学小麦研究中心解超杰老师对本工作提供的材料与技术支持。感谢中国农业大学小麦研究中心转基因平台宋娜老师在小麦遗传转化中提供的帮助。
参考文献
XiaoJ.,etal().AnaturalvariationofanSVPMADS-boxtranscriptionfactorinTriticumpetropavlovskyileadstoitsectopicexpressionandcontributestoelongatedglume.MolecularPlant.
Liu,J.,etal().EctopicexpressionofVRT-A2underliestheoriginofTriticumpolonicumandT.petropavlovskyiwithlongouterglumeandgrain.MolecularPlant.
Adamski,N.,etal.().EctopicexpressionofTriticumpolonicumVRT-A2underlieselongatedglumesandgrainsinhexaploidwheatinadosage-dependentManner.ThePlantCell.
齐莉莉，陈佩度，刘大钧（）。我国特有种质-新疆小麦的起源。《中国的遗传学研究》，中国科学出版社p.-
王海燕，王秀娥，陈佩度，刘大钧（）。利用SSR标记分析云南、西藏和新疆小麦的遗传多样性（英文）。遗传学报：-。
MolPlant植物科学