穗部性状是作物的重要形态特征之一，在作物产量调控方面扮演着关键角色，因此一直以来都备受研究者的高度关注。其中，籽粒性状与其他穗部性状之间的遗传关系，对同化物（光合产物）在植株内的分配起着关键作用，直接影响着作物的产量表现。虽然小麦是全球重要的粮食作物，但其在同化物分配领域的研究相对较少，背后遗传调控机制尚不清楚。因此，鉴定同化物在小麦籽粒和穗部性状之间分配的调控位点并解析其遗传机制，对提高小麦以及其他作物的单产具有重要的意义。
2023年8月28日，中国科学院遗传与发育生物学研究所鲁非研究组和中国科学院植物研究所郭自峰研究组，以及中国农业科学院作物科学研究所马有志研究组、何中虎/郝元峰研究组共同合作，在Genome Biology杂志发表了题为“A high-resolution genotype-phenotype map identifies the TaSPL17 controlling grain number and size in wheat”的研究论文。该研究利用了具有全球范围遗传代表性的306份小麦种质材料构成的遗传群体，以及40M高质量SNP数据，深入开展了小麦穗部性状的遗传解析。该研究对27个穗部和籽粒相关性状进行了全基因组关联性分析，成功鉴定到590个关联的基因组区段，其中90%是首次鉴定到到新区段，这为研究穗部性状的遗传研究提供大量的有价值的目标位点。值得特别关注的是，在穗部同化物分配性状的关联分析中，不仅发现了与产量性状相似的强主效峰，还在产量性状未能定位的基因组关联区段中发现了重要信号，这表明了同化物产量性状的研究方法是寻找强关联信号的有效途径。在对基因组关联区段内的候选基因进行鉴定时，高密度SNP图谱展现出了巨大的潜力，能够高效地检测到直接与基因相关或与候选基因非常接近的SNP。此外，研究人员还在同化物分配性状的GWAS结果中鉴定到了TaSPL17作为调控相关性状的候选基因。通过突变体和过表达材料的研究，确认了TaSPL17通过调控小穗和小花分生组织的发育来控制籽粒的大小和数量，从而有效提高了单株的籽粒产量。进一步的单倍型分析显示TaSPL17具有明显的地理分布差异，并受到了驯化和育种选择的影响。特别是Hap-A2单倍型主要存在于中国品种中，但在中国小麦育种中，提高籽粒数目的Hap-A2单倍型占比逐渐减少，导致现代小麦品种中Hap-A2的利用率较低。因此，Hap-A2对于增加小麦产量具有巨大的潜力。通过利用京双16和百农64构建的重组自交系和近等基因系，成功导入了TaSPL17的优异位点，结果表明该优异位点能够显著增加小穗数、穗粒数和籽粒大小，从而有效提高了小麦的产量。
这项研究创建了高密度的小麦穗部性状基因型-表型图谱，并鉴定到TaSPL17位点，为改良穗部形态提供了宝贵的基因资源，也为快速检测和评估小麦穗部性状候选基因提供了解决方案。郭自峰研究组的博士生刘洋洋，中国农业科学院作物科学研究所陈隽副研究员以及鲁非研究组的尹长斌助理研究员为论文的共同第一作者，郭自峰研究员、鲁非研究员和马有志研究员，郝元峰研究员为共同通讯作者。该研究得到中国科学院战略性先导科技专项、农业科技创新工程、国家重点研发计划、国家自然科学基金、海南崖州湾种子实验室“揭榜挂帅”项目的资助。
27个穗部性状基因型-表型关联图谱
