南京农业大学揭示大麦FEA基因调控花序发育和产量性状的机制

禾谷类作物花序开花授粉后发育为谷粒，是淀粉类粮食的主要来源。花序生长和形态建立的调控对维持和优化粮食产量至关重要。成熟花序由花序分生组织发育而来，其中早期花序分生组织的大小和活性决定了其形态结构和小穗数目等关键农艺性状。在水稻和玉米中的研究发现花序分生组织大小与小穗数等性状呈正相关。然而，在麦类作物中，花序分生组织大小与产量性状之间的关系以及调控机制尚未可知。

近日，南京农业大学联合西南科技大学在The Crop Journal在线发表了题为“Barley FASCIATED EAR genes determine inflorescence meristem size and yield traits”的研究论文，证实大麦花序分生组织的大小与产量性状呈负相关，并解析了3个FASCIATED EAR（FEA）基因在决定花序分生组织大小和产量性状中的重要功能。通过分子生物学和基因编辑等手段阐明大麦FEA2、FEA3和FEA4具有限制花序分生组织过量增殖的作用，从而维持花序后期的正常发育和小穗数等产量性状，为大麦花序分生组织大小与产量性状之间的关系提供了有力的分子遗传证据。

首先，研究者通过对100个有代表性的大麦品系进行相关性分析，阐明大麦花序分生组织大小和产量性状存在负相关。利用玉米控制分生组织大小的FEA基因同源克隆了大麦FEA2、FEA3和FEA4基因。基因表达分析表明，3个FEA基因在花序分生组织发育初期的表达量最高。利用最新的大麦泛基因组数据库，探索了3个FEA基因在不同大麦中品种的自然变异情况，关键氨基酸位点的变异与大麦品种驯化中的产量选育事件密切相关。随后，利用CRISPR/Cas9基因编辑技术对3个目的基因进行编辑，分别获得了3个基因的功能缺失突变体材料。电镜扫描和表型观察发现，3个突变体均表现出分生组织变大、花序变短及种子变小等性状（图1和图2），其中fea4突变体还表现出额外小花等经典FASCIATED EAR性状（图1和图2）。最后，研究者对转录因子FEA4参与的基因表达调控网络作了深入解析。转录组等数据表明，FEA4基因在花序生长发育过程中参与了多个途径的靶向调控，包括转录活性、植物激素信号传导和氧化还原状态调节。该研究结果为麦属作物的花序发育提供了新的见解，也为作物改良育种提供了理论基础。

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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