小麦是全世界主要的粮食作物之一，其产量主要由亩穗数、千粒重和穗粒数决定。穗型结构影响小麦的小穗数、穗粒数和产量，是育种改良地重要的选择性状，挖掘小麦穗发育重要调控因子与解析分子调控机制，对小麦穗型的分子设计与精准改良、突破产量瓶颈具有重要意义。由于小麦功能基因组学发展较晚，穗发育关键基因挖掘及作用机制的研究尚处于初步阶段。
近日，中国科学院遗传与发育生物学研究所肖军研究组通过结合多维组学、群体遗传学和基因功能解析等多种研究手段，提出了一种系统高效鉴定关键调控因子的策略。通过8个穗发育关键时期的转录组、染色质可及性和多种组蛋白修饰测序，绘制了小麦穗发育过程的动态转录和表观修饰图谱，搭建了小麦穗发育过程的转录调控网络（TRN）。TRN鉴定了一个TaSPL15-TaAGLG1-TaFUL2调控模块，并通过之间实验验证了其层级调控关系。结合多维组学数据与群体遗传学，鉴定到227个潜在的穗发育调控因子，其中42个基因在小麦或水稻中已证明参与穗发育过程。通过KN9204突变体库对61个新基因进行通量表型鉴定，发现其中36个基因突变导致了开花时间或穗型的改变，如TaMYC2-A1、TaMYB30-A1和TaWRKY37-A1等。对一个新基因TaMYB30-A1进行功能研究和机制解析，发现启动子区域的自然变异影响了WFZP对其的转录抑制。TaMYB30-A1优异单倍型具有较高的表达量，增加穗长、可育小穗数和穗粒数，在小麦驯化和育种过程中受到选择，可能在中国小麦品种改良过程中发挥了重要作用（图1）。
图1：多维组学数据系统鉴定小麦穗发育关键调控因子
为促进小麦穗发育研究和分子设计育种，肖军研究组与成都天成未来公司合作搭建了小麦穗发育多组学数据库（WSMOD）（http://39.98.48.156:8800/#/），为研究人员提供包括基因信息查询、共表达分析、TRN预测、表观图谱绘制及突变体库检索等模块在内的“一站式”服务（图2）。
图2：小麦穗部多组学数据库网站 (WSMOD)
该研究以“Systemic identification of wheat spike development regulators by integrated multiomics, transcriptional network, GWAS and genetic analyses”为题于2024年2月2日在线发表于Molecular Plant杂志（DOI:10.1016/j.molp.2024.01.010）。肖军研究组助理研究员林学磊、博士毕业生徐永欣和助理研究员王冬至为论文共同第一作者，肖军研究员和王冬至助理研究员为共同通讯作者。遗传发育所傅向东研究员和鲁非研究员、John Innes Centre丁一倞教授和Cristobal Uauy教授、山东农业大学张宪省教授、中国农科院作科所张学勇研究员和毛龙研究员对该研究提供了重要帮助和指导。该研究得到国家自然科学基金创新群体项目、中国科学院先导专项、国家重点研发计划青年项目和山东省自然科学基金重大基础研究项目的资助。
