小麦收获前发芽（Pre-harvest sprouting, PHS）抗性基因TaPI4K-2A的发现与功能解析

作者及发表信息
本研究由西北农林科技大学生命科学学院作物抗逆与高效生产全国重点实验室Chen Kun-Ming团队、农学院Han De-Jun团队与中国农业科学院作物科学研究所Sun Jiaqiang团队合作完成，第一作者为Li Tai、Jianhui Wu等。研究成果于2024年5月13日发表于植物学领域期刊*Plant Communications*（2023年10月26日在线发表），论文标题为“A genome-wide association study uncovers that TaPI4K-2A regulates pre-harvest sprouting in wheat”。

学术背景
PHS是小麦等禾谷类作物在收获期遇雨时籽粒提前萌发的现象，导致产量下降和加工品质劣变（如α-淀粉酶活性升高）。其调控机制涉及脱落酸（Abscisic acid, ABA）与赤霉素（Gibberellin, GA）的拮抗作用：ABA促进种子休眠抑制PHS，而GA反之。尽管已有部分基因（如*TaMYB10-3B*）被报道参与小麦PHS调控，但受基因组复杂性限制，其分子机制尚不明确。本研究通过全基因组关联分析（Genome-wide association study, GWAS）结合功能验证，旨在发掘小麦PHS抗性新基因，为育种提供靶点。

研究流程与实验设计
1. 群体构建与表型分析
- 研究对象：680份全球小麦种质（遗传多样性丰富），分为两个群体：Panel 1（610份，使用小麦660K SNP芯片分型）和Panel 2（232份，162份与Panel 1重叠，进行重测序）。
- 表型测定：在田间和实验室条件下量化4个PHS相关性状——发芽率、芽长、根长、可见发芽籽粒百分比。群体结构分析将Panel 1分为3个亚群（SP1、SP2、SP3），其中SP1（68份地方品种）表现出更强的PHS抗性，暗示驯化过程中休眠期缩短可能增加PHS风险。

1. GWAS分析与候选基因筛选

   • 方法：基于混合线性模型（Mixed linear model, MLM）进行GWAS，显著性阈值设为p < 3.16×10⁻⁴，共鉴定2088个显著SNP，定位到102个数量性状位点（Quantitative trait loci, QTLs），涵盖1701个候选基因。
     
   • 功能注释：基因本体（GO）分析显示候选基因富集于种子萌发和激素响应通路，包括已知基因（如*TaMYB10-3B*）及47个其他物种同源基因（如拟南芥*PKL*、水稻*OsGRX*）。
     

2. 关键QTL与基因验证

   • 目标位点：选择新QTL *qPHS2A.7_NWAFU*（含35个注释基因），通过表达谱分析锁定*TraesCS2A02G540100*（编码磷脂酰肌醇4-激酶，命名为*TaPI4K-2A*）。
     
   • 自然变异分析：在Panel 2中鉴定到*TaPI4K-2A*的两种单倍型（Hap1和Hap2），其启动子区存在ABA响应元件（ABRE）缺失（Indel-1359）和编码区错义突变（Ala240Thr）。Hap1频率（75%-81%）显著高于Hap2，表明育种选择偏好。
     

3. 功能验证

   • 等位基因效应：Hap1基因型发芽率更低，ABA敏感性更高，且ABA诱导的*TaPI4K-2A*表达更强（双荧光素酶实验证实）。
     
   • 转基因验证：在栽培种“Fielder”中过表达*TaPI4K-2A*（Hap1）显著增强PHS抗性（发芽籽粒百分比5%-11.7% vs 野生型37%-40.8%），而RNA干扰株系则更易感（46%-59.6%）。
     

主要结果与逻辑链条
- GWAS定位：通过多环境表型与基因型关联分析，发现*TaPI4K-2A*所在QTL与PHS抗性显著相关。
- 等位基因分化：Hap1的高频率与ABA响应增强相关，解释其在湿润地区的适应性选择。
- 分子机制：*TaPI4K-2A*通过ABA信号通路调控种子休眠，其启动子变异（Indel-1359）影响转录水平，进而决定PHS抗性。

结论与价值
1. 科学价值：首次揭示磷脂酰肌醇激酶家族基因*TaPI4K-2A*通过ABA信号调控小麦PHS的分子机制，为种子休眠的激素调控网络提供新见解。
2. 应用价值：Hap1可作为分子标记用于培育抗PHS小麦品种，尤其适合多雨地区种植。

研究亮点
- 创新性发现：鉴定到53个新QTL及1637个候选基因，其中*TaPI4K-2A*为小麦PHS抗性的核心调控因子。
- 方法学优势：结合GWAS、自然变异分析与转基因验证，多维度解析基因功能。
- 育种指导意义：明确Hap1的育种选择价值，为分子设计育种提供直接靶点。

其他价值
研究得到中国国家重点研发计划（2021YFD1200600）等资助，数据已公开于Supplemental Information，可供后续研究参考。