小麦两系杂交技术（原创解读PlantPhysiol-水分胁迫下野生二粒小麦渐渗系改变根冠生长）

2021年6月19日，以色列希伯来大学农业植物科学与遗传学研究所等单位合作在Plant Physiology上发表了题为“Wild emmer introgression alters root-to-shoot growth dynamics in durum wheat in response to water stress”的研究论文。

水分亏缺是限制小麦早期营养生长的主要因素，后续还会引起籽粒同化物供应的减少，导致产量损失。硬粒小麦主要生长在半干旱的地中海盆地，也遍布北非和东非、欧洲、北美、印度和澳大利亚，其产量极易受到年内降水波动的影响。选择具有形态生理适应机制的硬粒小麦品种，如在水分限制环境下表现早期活力、较高的水分利用效率和产量稳定，提高其在干旱条件下的表现可有效改善这种情况。同时，也可以利用适应干旱环境的小麦地方品种和野生近亲所携带的潜在遗传资源应对这一挑战。野生二粒小麦作为驯化小麦的祖先，在干旱条件下表现出旺盛的营养生长，可以作为提高硬粒小麦干旱适应能力的潜在来源。作者利用高时间分辨率成像平台分析了一套硬粒小麦-野生二粒小麦渐渗系（ILs）在水分胁迫下的不同表型反应，鉴定了可能与水分胁迫下根冠碳再分配相关的候选基因。以下是主要结果：

首先作者探讨了在一个优良小麦品种背景下，野生二粒小麦渐渗系是否能扩大对水分胁迫的表型反应范围。利用摄影图像数据绘制WW（充分灌溉，80%的田间含水量）和WL（水分限制，30%的田间含水量）处理下ILs的密度分布（图1）。ILs在所有性状中都显示出广泛的范围，Svevo定位接近大多数性状的平均值。在WL处理下，PSA（投影地上面积）的表型分布较WW处理分散，植株宽度和水分利用率的差异较小，WUE（水分利用效率）的表型范围与WW处理相比变化较大（图1A）。进一步的相关分析表明PSA与所有形态性状呈正相关。在WL处理下，PSA和植株密度与WUE呈正相关，表明植物结构可以影响胁迫下的WUE（图1B）。

图1. 野生二粒小麦渐渗系提高硬粒小麦表型多样性

蓝色：well-watered；红色：water-limited

对WL处理下的形态生理特性和相对应力指数特性进行层次聚类分析，作者将ILs分为五个集群，集群1（高生产率和高稳定性，HPHS；由6个ILs组成），集群2（高生产率和高可塑性，HPHP；10个ILs），集群3（中等生产率和高可塑性，MPHP；13个ILs），集群4（低生产率和中等可塑性，LPMP；包括11个ILs和Svevo）和集群5（低生产率和高稳定性，LPHS；7个ILs）（图2A）。在WL处理下，HPHS和HPHP组的WUE最高，而S-PSA组则相反。集群HPHP的高S-PSA值表明，这些ILs在水分胁迫下具有高可塑性。并且，可辨别的形态特征与聚类分析一致（图2B）。

图2. 野生二粒小麦渐渗系（ILs）与优良亲本Svevo的聚类分析

为了揭示性状与ILs聚类的关系，作者对WL处理下的表型性状进行了主成分分析（PCA），并以干旱敏感性指数（S）为指标，确定了三个主要的PC（特征值>1.2），共同占ILs表型变异的76%（图3）。

图3. WL处理下表型性状的PCA分析

作者绘制了这些性状每周的总体轨迹和表型分布图来了解地上部分生长的动态变化（图4A）。与WL处理相比，WW处理下的所有集群都表现出更高的生物量积累和更高的变异系数（CV）。WW和WL处理下的PSA分布表明，在第5周和第6周高稳定性（HS）集群在WW和WL曲线之间表现出实质性的重叠。虽然在WW处理下MPHP集群表现出较高的生物量积累，但在WL处理下表现为中等生产率（MP）。在WL条件下，生产率的聚类分类（即HP、MP和LP）存在显著差异（P<10-4）。

图4. 水分胁迫下5个集群表型的动态变化

蓝色：well-watered；红色：water-limited

为了分析PSA在不同发育阶段的遗传（G）和环境（E）组成，作者计算了广义遗传力及其组成部分。HPHS集群表现出最大的遗传成分（Sigma2G），随着水分胁迫持续时间的延长而增加（图4B）。HPHP和MPHP集群表现出较小的遗传成分和最高的G×E相互作用（Sigma2G×E）（图4B，C）。PSA的广义遗传力动力学（bsh2）表现出明显的稳定性（LPHS和HPHS）和可塑性（LPMP、MPHP和HPHP）（图4D）。植物密度的遗传力动态表明，HPHP具有较强的遗传成分，LPMP具有较大的环境效应。

然后，作者比较以IL20和IL46为代表的两个高生产率集群HPHP和HPHS，对WL下表型可塑性/稳定性进行了研究。在WL处理下，相对生长速率动力学表明，与Svevo（284.45）相比，两个高生产率集群表现出较高的线性方程斜率，分别为452.3（IL20）和558.1（IL46）（图5A）。在WW处理下，与Svevo相比，只有IL20的坡度更高（P=0.001）。IL46在两种水处理（代表高稳定性集群）下保持相似的线性方程斜率，但IL20在WL下的回归模式从849.75变化到WL下的452.32（P<10-3），与基于高可塑性的选择一致。

图5. 相对生长和碳同化的动态变化

蓝色：well-watered；红色：water-limited

为了补充成像，作者还测量了实验过程中的气体交换参数。平均同化率（A）随水分胁迫的进展而下降，Svevo的下降幅度最大（37.7%），而高稳定性IL46的下降率仅为22.9%（图5B）。随着时间的推移，IL20在WW处理下表现出最高的同化率（30.19µmol m-²s-¹), 而在WL下，IL46和IL20的表现出类似的A（25.35和24.26), 均高于Svevo（22.66）。在WL下与Svevo相比，IL20还保持了显著较高的气孔导度（gs）（P=0.013）和蒸腾速率（E）（P=0.024）。在WW处理下，IL20和IL46的gs均高于Svevo。

鉴于IL20在WL处理下保持了较高的同化率和气孔导度，作者研究了这是否与水分胁迫下不同根系生长反应导致的水分吸收改善有关（图6）。在WW处理下，IL46和IL20的根系生物量均高于Svevo；在WL处理下，Svevo根系生物量显著低于IL20。此外，在WL处理下，与Svevo相比，IL20也表现出更高的根冠比。纸卷育苗试验说明IL20在苗期的根系生长动态与Svevo不同，在WL处理下表现更为明显，导致根冠比增加。这些结果表明，在WL处理下，后期的根系生物量和苗期的根系长度在IL20中具有相似的响应。

图6. 水分胁迫下，Svevo、IL20和IL的形态生理变化

考虑到幼苗期Svevo和IL20的根系生长和根冠比的差异，作者推断导致这些表型的潜在基因可能是相同的。IL20具有来自野生二粒小麦亲本Zavitan的6个导入，分布在5条染色体上，约占Zavitan基因组的4.5%。对苗期试验的根进行转录组分析，再结合IL20和Svevo的基因型数据，作者确定了599个差异表达基因DEGs（图7A），其中425个基因下调，174个基因上调。接下来，检测IL20和Svevo中定位于导入片段的差异转录物，在WW处理下鉴定了17个DEGs，在WL处理下鉴定了18个DEGs。鉴于IL20的根系表型，我们基于对检索的与根表型相关的假定同源基因筛选了5个与根系相关的候选DEGs。其中3个基因在WL处理下的IL20表达上调（TRIDC4AG046080、TRIDC4AG048600和TRIDC2AG073520），1个基因在WL处理下表达下调（TRIDC4AG046660），1个基因（TRIDC4AG046110）仅在WW处理下表达上调。随后对这五个候选基因进行比较分析，发现Zavitan基因组中TRIDC2AG073520的序列在染色体2A上存在两个剪接变体，分别是TRIDC2AG073520.1和TRIDC2AG073520.2的2391bp和1742bp。而在硬粒小麦和10个六倍体面包小麦品种基因组中仅存在2391bp这一变体。在Zavitan的组织特异性基因表达图谱中，该基因在根中的表达量最高，而在其他组织中几乎没有检测到该基因的表达。结合Zavitan和栽培小麦之间的剪接变异差异和根系表达的特异性，从而确定TRIDC2AG073520是IL20表现出巨大根冠比差异的候选基因。

图7. IL20和Svevo差异表达基因（DEGs）的比较

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