Seed Biology｜北京大学现代农业研究院焦雨铃教授团队系统综述控制小麦籽粒大小基因及其分子机制的研究进展
2024年5月13日，Seed Biology期刊在线发表了北京大学现代农业研究院卫波博士和北京大学生命科学学院焦雨铃教授团队的题为Grain size control in wheat: toward a molecular understanding的综述文章。
小麦籽粒是人类能量和蛋白质的主要来源之一。历经了漫长的驯化和人工选择，从野生二粒小麦到栽培二粒小麦以及普通小麦的农家种到现在育成种的过程中，籽粒大小均受到了明显的选择，主要表现为从长窄型到短宽型的籽粒形态变化。另外，市场需求对小麦籽粒性状的变化也起着重要作用，包括籽粒大小的一致性、加工品质性状、蛋白质以及微量元素的含量等。因此小麦籽粒从物种驯化、新品种改良到市场需求，均是小麦最为关注的性状之一。
文章以“源-库-流”为线索介绍了近年来影响小麦籽粒基因的克隆和分子机制的研究进展，探讨了克服籽粒大小和数量的制约关系从而提高籽粒产量的策略以及协同提高籽粒产量和加工品质的措施，为小麦新品种籽粒性状的遗传改良提供了参考。
首先介绍了三个参与植物光合作用最终导致籽粒大小显著增加的基因KAT-2B、CAKE1和CAKE2。光合产物在茎秆中的长距离运输是“源-库”的重要连接，其被认为是决定籽粒生长和发育的关键环节。蔗糖转运蛋白编码基因TaSUTs以及与穗下节和穗下第二节长度相关的基因TaSnRK2.3-1A和TaSnRK2.3-1B对小麦籽粒大小具有重要影响。针对小麦籽粒大小的分子生物学过程，文章主要从泛素蛋白酶体途径、G蛋白信号途径、植物激素途径和其它调控途径四个方面进行了总结，并对小麦和水稻中相关同源基因的功能进行了比较。籽粒的灌浆过程同样是决定籽粒大小和粒重的关键环节，在此过程中淀粉和种子贮藏蛋白在籽粒中快速积累。在成熟的小麦籽粒中，它们的含量分别占到籽粒重量的70%和13%左右。因此，研究它们各自合成的关键基因对最终理解籽粒的大小具有重要意义。最后，本文指出通过在籽粒的特定组织或特定发育阶段对关键基因的表达水平进行调控可能有效地协同提高粒数和粒重。另外，挖掘同时调控淀粉和种子贮藏蛋白含量的转录因子可能是协同产量和品质的前提基础。
图1 小麦和水稻中控制籽粒大小的基因和遗传途径
本文章由北京大学现代农业研究院杂交小麦分子生物学与遗传改良实验室完成，焦雨铃教授和卫波副研究员为通讯作者，卫波副研究员为第一作者。本综述文章获得了山东省重点项目（ZR202211070163），山东省自然科学基金项目（ZR2021ZD30和ZR2022ZD22）以及国家自然科学基金项目（32072061和31921005）的资助。
【全文链接】
Grain size control in wheat toward a molecular understanding (maxapress.com)
【参考文献】
Wei B, Jiao Y. 2024. Grain size control in wheat: toward a molecular understanding. Seed Biology 3: e007 doi: 10.48130/seedbio-0024-0007
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