一作解讀 | 小麥生物鐘基因TaPRR1的功能分析

生物節律鍾是光周期調控的核心部分，偽應答調節因子（Pseudo-Response Regulators, PRRs）是生物節律調控網絡的關鍵組分。小麥著名綠色革命基因Ppd-1（TaPRR37）作為PRR家族成員，對提高小麥產量作出了重大貢獻。Ppd-1基因不僅影響小麥的光周期敏感性，還與小麥的株高、千粒重等重要農藝性狀相關。此外，小麥PRR家族成員TaPRR73已報道影響小麥的抽穗期和株高。但是對於小麥生物鐘核心成員TaPRR1，其功能研究相對較少。

近日，魯東大學麥類分子育種創新團隊與中國農業科學院作物科學研究所、中國科學院植物研究所合作在《Frontiers in Plant Science》在線發表了題為《The Circadian Clock Gene, TaPRR1, Is Associated With Yield-Related Traits in Wheat (Triticum aestivumL.)》的論文。該研究對小麥生物鐘核心成員TaPRR1進行了功能分析，主要取得如下研究結果：

（1）小麥生物鐘基因TaPRR1不同單倍型與產量性狀顯著相關。根據TaPRR1多態性位點，開發分子標記。結合19個環境自然群體表型數據，通過關聯分析，闡明了TaPRR1不同單倍型與小麥產量性狀的關係。同時根據660K芯片數據，結合TaPRR1上下游2Mb區間的分子標記，進一步驗證TaPRR1的功能（圖1）。值得注意的是，TaPRR1-A1與小麥抽穗期顯著相關，TaPRR1-6A-Hapla較TaPRR1-6A-Haplb抽穗期提前0.9 - 1.7%。TaPRR1-B1和TaPRR1-D1則影響小麥的株高和千粒重，TaPRR1-6B-Hapla和TaPRR1-6D-Hapla降低株高和增加千粒重的幅度分別為13.3 - 26.4%和6.3 - 17.3%。

（2）小麥TaPRR1基因的表達特徵和轉錄活性分析。TaPRR1在48小時的表達譜以晝夜節律為特徵，在短日照和長日照條件下均有兩個表達峰值：分別出現在黎明後9小時和18小時。且不同TaPRR1單倍型的表達峰值出現的時間和表達量存在差異（圖2）。亞細胞定位和轉錄活性分析表明，TaPRR1是核定位蛋白，其轉錄活性受IR結構域控制。

（3）小麥TaPRR1基因在地方種和現代育成品種間存在遺傳變異分化。單倍型網絡分析表明，TaPRR1的遺傳變異在地方種和現代品種之間存在差異。通過分子方差分析，我們推測TaPRR1-A1單倍型存在中等程度的遺傳分化，而TaPRR1-B1和TaPRR1-D1存在高度的遺傳分化。雖然地域分布顯示TaPRR1-6A-Hapla、TaPRR1-6B-Haplb和TaPRR1-6D-Haplb是主要分布的單倍型。但在現代品種選育的過程中，優異單倍型TaPRR1-6B-Hapla和TaPRR1-6D-Hapla所佔比重大大增加，受到了人工選擇（圖3）。

魯東大學麥類分子育種創新團隊孫晗副教授、中國科學院植物研究所郭志愛博士、中國農業科學院作科所賈繼增研究員為該論文的共同通訊作者。該研究受到國家自然科學基金、山東省自然科學基金、煙台市重點研發計劃等項目資助。