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鄭術(shù)芝課題組在小麥功能基因高通量挖掘策略研究中取得重大突破

發(fā)布時(shí)間：2025-10-09

近日，分子細(xì)胞生物學(xué)研究所聯(lián)合中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所，在小麥功能基因高通量挖掘策略研究中取得突破性進(jìn)展。相關(guān)研究成果“A forward genetics strategy for high-throughput gene identification via precise image-based phenotyping of an indexed EMS mutant library”于2025年9月29日在線發(fā)表于國際知名學(xué)術(shù)期刊Advanced Science雜志（雙一區(qū)TOP期刊，2025年影響因子14.1）。該研究突破了利用小麥EMS群體高通量挖掘功能基因的技術(shù)瓶頸，結(jié)合高通量表型組學(xué)技術(shù)開發(fā)了適用于EMS突變體庫的全基因組關(guān)聯(lián)分析的新方法GH-GLA（GeneHunter-Gene-Level Association）實(shí)現(xiàn)高效鑒定小麥重要農(nóng)藝性狀相關(guān)的候選基因，為挖掘小麥功能基因和解析基因作用機(jī)制提供了大量資源和線索。

普通小麥（AABBDD）是異源六倍體作物，其基因組規(guī)模約為人類基因組的5倍，包含A、B和D三套高度同源的染色體組。這種復(fù)雜的基因組結(jié)構(gòu)為在該物種中精確定位特定基因帶來了巨大挑戰(zhàn)。EMS（甲基磺酸乙酯）誘變技術(shù)能夠產(chǎn)生近飽和的突變體庫，因其突變隨機(jī)性高、位點(diǎn)覆蓋廣泛，并可有效克服群體結(jié)構(gòu)限制與連鎖不平衡等問題，被視為解析小麥基因功能的重要工具。然而，目前基于EMS突變體庫的高通量、規(guī)模化基因定位研究仍未能取得實(shí)質(zhì)性突破。另一方面，傳統(tǒng)小麥農(nóng)藝性狀（如千粒重、株高、分蘗數(shù)等）的調(diào)查通常依賴人工測量，過程耗時(shí)費(fèi)力。同時(shí)，一些難以通過人工觀測獲取的新型幾何性狀（如小穗角度、小穗間距）也被證實(shí)是影響小麥產(chǎn)量的關(guān)鍵因素。系統(tǒng)解析這些幾何性狀并開展相關(guān)功能研究，將為挖掘小麥抗逆性與高產(chǎn)潛力的遺傳資源提供新的研究方向。

本研究以河北師范大學(xué)李俊明教授培育的小麥品種“科農(nóng)9204”為材料，在前期構(gòu)建的EMS近飽和突變體庫基礎(chǔ)上，采用基于深度學(xué)習(xí)的圖像表型鑒定平臺(tái)，對(duì)約2000個(gè)突變株系進(jìn)行高通量圖像采集與表型解析，共獲取83個(gè)株型及穗部相關(guān)性狀。為解決EMS突變體中低頻突變難以有效解析的問題，研究團(tuán)隊(duì)基于該突變體庫的外顯子捕獲測序數(shù)據(jù)，開發(fā)了GH-GLA流程。通過GH-GLA方法，研究團(tuán)隊(duì)從小麥中鑒定到5905個(gè)重要性狀相關(guān)候選基因，并利用CRISPR/Cas9技術(shù)成功驗(yàn)證了TaAN-1（調(diào)控千粒重）、TaBAM5L（影響粒型與千粒重）和TaXTH28L（調(diào)控穗型）的功能；基于小麥微核心種質(zhì)自然群體的遺傳分析進(jìn)一步揭示了TaAN-1-2B的Hap3，TaBAM5L-5A的Hap2以及TaXTH28L-4A的Hap3單倍型分別與千粒重和高產(chǎn)相關(guān)，具有育種潛力，證明了GH-GLA方法在候選基因功能預(yù)測上的有效性。

中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所在讀博士研究生王豪杰、孫孚俊以及我校在讀博士研究生石澤宇、碩士研究生楊雨風(fēng)為文章共同第一作者。我校生命科學(xué)學(xué)院鄭術(shù)芝教授、中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所育種前沿技術(shù)實(shí)驗(yàn)室賀飛研究員、蔣霓研究員以及鄭樹松副研究員為文章共同通訊作者。我校劉西崗教授，李俊明教授和湯文強(qiáng)教授參與和指導(dǎo)了該工作。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所毛龍研究員、張學(xué)勇研究員以及李愛麗研究員提供了小麥微核心種質(zhì)資源的基因型和表型數(shù)據(jù)。小麥轉(zhuǎn)基因和基因編輯委托未米公司完成。該研究得到了農(nóng)業(yè)農(nóng)村部重大專項(xiàng)，國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、河北省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。

小麥KN9204突變體庫信息（https://kn9204.molbreeding.com/#/jbrowse）

原文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202514793