南京農業大學王秀娥課題組發現小麥Q基因調控株高等性狀
近日，國際權威期刊《TAG》雜誌在線發表了南京農業大學王秀娥教授課題組題為「Rht23(5Dq′) likely encodes aQhomeologue with pleiotropic effects on plant height and spike compactness」的研究文章，我們特邀請了文章的一作肖進來為我們解讀這篇文章，以饗讀者。
近期，小麥研究聯盟公眾號分享了2011年在PNAS上發表的關於小麥馴化基因Q基因的研究工作（「PNAS經典品讀-小麥馴化基因Q的進化分析」），重拾這個在小麥馴化歷史上非常重要的基因的話題。剛好近期我們在TAG上也發表了關於Q基因的研究（Rht23(5Dq′) likely encodes aQhomeologue with pleiotropic effects on plant height and spike compactness），與以往不同，本研究報道的是Q基因在小麥5D染色體上的部分同源基因5Dq，對Q基因的馴化過程有了重新認識。
2006年Q基因圖位克隆的文章和2011年PNAS上的文章已經將Q基因介紹的很清楚了：它編碼一個AP2家族的轉錄因子，在2123bp位核苷酸發生G>A的突變，導致其329位編碼氨基酸由纈氨酸（Valine，V）變為異亮氨酸（Isoleucine，I），該突變使得Q蛋白形成更加穩定的同源二聚體，從而影響小麥的脫粒性、株高等多個性狀。但是關於Q基因的故事還遠沒有結束。去年2017年也有兩篇關於Q基因最新研究報道的文章（「New alleles of the wheat domestication geneQreveal multiple roles in growth and reproductive development」和「microRNA172plays a crucial role in wheat spike morphogenesis and grain threshability」）。他們都認為Q基因的馴化跟329位氨基酸變化沒有多大關係，而是與小RNA調控有關。
下面我們重新梳理一下。目前認為q/Q基因有兩個重要的多態性位點，一個是G>A突變，發生在8號外顯子，如前面所述，導致329位編碼氨基酸由V到I；另一個是C>T突變，發生在10號外顯子，因為該突變是一個無義突變，因此在早些時候沒有引起大家足夠的重視，但該變異發生在miR172調控區域，影響miR172的剪切效率及其調控的靶基因Q基因的表達水平。究竟是哪個多態性位點決定了Q基因控制的小麥易脫粒等性狀。Greenwood等（2017）發現一個Q基因突變體5AQ』，突變位點發生在miR172調控區域，導致Q蛋白的大量積累，穗子變得更加緊密，同時發現另一個表型相似的突變體5AQ』-like，突變位點也發生在miR172調控區域，儘管位置不同（New alleles of the wheat domestication geneQreveal multiple roles in growth and reproductive development，圖1）。Debernardi等（2017）在小麥中過量表達miR172使得穗子變長、難脫粒，通過設計miR172靶標類似物（MIM172）抑制miR172活性使得穗子變得更緊密（microRNA172plays a crucial role in wheat spike morphogenesis and grain threshability）。因此他們都認為Q基因的馴化位點發生在miR172調控區域。
最近我們的工作也支持Q基因馴化與小RNA調控有關。下面簡要介紹一下我們的研究工作。
小麥品種蘇麥3號高抗赤霉病，但因其株高太高很難在育種中利用。我們的最初目的是想獲得蘇麥3號矮桿的育種材料。利用化學誘變劑甲基磺酸乙酯（EMS）誘變，獲得一個植株變矮同時穗子縮短、穗密度增加的突變體NAUH164，將突變性狀命名為Rht23（Chenet al.,Euphytica, 2015），通過遺傳定位將Rht23定位於小麥5DL染色體上，定位區間包含71個基因，其中AP2基因為Q基因的同源基因。考慮Rht23與過量表達Q基因（Zhanget al.,PNAS, 2011）都可以降低株高和增加穗密度，推測Rht23可能為5Dq發生了突變。在野生型蘇麥3號和突變體NAUH164中分別克隆5Dq基因，比較發現在3147bp發生由G到A的突變，將5Dq點突變基因命名為5Dq』。基於3147bp位置G>A鹼基突變，開發了共顯性SNP分子標記，也表明5Dq』基因與Rht23性狀共分離。該突變引起5Dq基因的第416位編碼丙氨酸（Alanine，A）變為蘇氨酸（Threonine，T），但是在蛋白質二級結構構象上沒有明顯變化。同時我們也發現，突變位點發生在miR172調控區域，有可能會對該基因的表達造成影響。在NAUH164和蘇麥3號的幼穗時期，5Dq』基因在穗、莖、葉中的表達量分別是5Dq基因的2.5、4.0和1.5倍，而兩者5AQ基因表達無明顯差異（圖2，A）。5Dq』表達提高推測原因為5Dq』突變位點（3147bp位置G>A）發生在miR172調控區域，降低了miR172對其剪切的效率。對miR172表達特徵分析也發現，與其靶基因表達變化相反，突變體中miR172的表達水平下降（圖2，B），從另一個側面說明microRNA存在一個反饋的調控機制，5Dq』的突變位點影響了miR172對其調控。這裡需要強調的是5Dq』和5AQ、5AQ』的突變都發生在miR172調控區域，但是突變的位置都不同（圖1）。
至此關於小麥Q基因的馴化原理有了基本的定論。即5Aq/5Dq在miR172調控區域發生的點突變，可導致miR172剪切效率下降，Q基因表達水平上調，引起小麥植株變矮、穗部緊湊易脫粒等一系列重要農藝性狀的改變。本研究實際上間接的模擬Q基因的馴化過程。至於Q基因的上調錶達改變了哪些分子信號通路，還需要進一步研究。
相關圖片
圖1Q/q基因在不同小麥族物種和小麥品種中的序列比較
圖2Q/q基因（A）和miR172（B）在蘇麥3號及其突變體NAUH164不同組織表達特徵分析
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