在小麥進(jìn)化過程中，TaQ基因是小麥穗部形態(tài)馴化的關(guān)鍵基因，該基因編碼AP2家族的一個(gè)轉(zhuǎn)錄因子，調(diào)控株高、穗型、脫粒性、穗軸韌性和穎殼的硬度等。在普通小麥中Q基因存在3個(gè)等位基因，分別位于5A、5B和5D染色體的長臂上，其中，TaAQ是調(diào)控小麥穗部形態(tài)的一個(gè)關(guān)鍵基因，TaBq作為一個(gè)假基因和TaDq分別直接或間接參與調(diào)控小麥的馴化過程。近日，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所葉興國實(shí)驗(yàn)室在Journal?of?Genetics?and?Genomics期刊上online發(fā)表了題為《CRISPR/Cas9?editing?of?wheat?TaQ?genes?alters?spike?morphogenesis?and?grain?threshability》的研究論文，首次報(bào)道了利用CRISPR/Cas9技術(shù)編輯TaQ基因解析小麥穗型形成和脫粒性分子機(jī)制的研究結(jié)果，為深入分析TaAQ和TaDq基因調(diào)控小麥穗部形態(tài)和花序結(jié)構(gòu)發(fā)育的分子機(jī)制奠定了基礎(chǔ)。

研究團(tuán)隊(duì)分別以小麥冬性品種濟(jì)麥22和春性品種Fielder為受體，對位于小麥5A和5D染色體上的TaAQ及TaDq基因進(jìn)行編輯。通過對獲得的T0代轉(zhuǎn)基因植株進(jìn)行PCR-RE分子檢測和測序分析，發(fā)現(xiàn)2個(gè)小麥品種中TaQ基因的編輯效率分別為45.6%和44.0%。來自濟(jì)麥22和Fielder的T0代TaQ基因編輯植株穗型均類似于擬擬斯貝爾脫小麥，不僅穗子和穗節(jié)間的長度明顯變長，穎殼與穗軸之間的夾角也顯著變小，外稃的芒長變短，而且每個(gè)小穗中也多出了2個(gè)類似于外稃器官的組織，還表現(xiàn)出籽粒不易脫粒的特性。對源自Fielder的3類T1代純合突變株系（TaAQ基因位點(diǎn)編輯、TaDq基因位點(diǎn)編輯和TaAQ及TaDq基因位點(diǎn)同時(shí)編輯）進(jìn)行的表型分析發(fā)現(xiàn)，在不考慮TaBq基因的情況下，TaAQ基因位點(diǎn)編輯的植株與TaAQ和TaDq基因同時(shí)發(fā)生編輯的植株其穗型均類似于擬斯貝爾脫小麥;而TaDq基因發(fā)生編輯的植株與野生型Fielder相比除了株高降低外，其它性狀無明顯差異。另外，根據(jù)對TaQ基因發(fā)生編輯植株中A-class、B-class、C-class、E-class和TaTPL基因的表達(dá)模式，結(jié)合前人的研究結(jié)果，繪制了一個(gè)AP2家族基因調(diào)控小麥穗部形態(tài)和花器官發(fā)育的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖，推測VRN1、FUL2、SEP2、SEP5和SEP6基因可能通過調(diào)控TaQ基因的表達(dá)影響小麥的穗部形態(tài)。

中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院研究生院已畢業(yè)博士研究生劉會云和作物科學(xué)研究所王軻副研究員為論文共同第一作者，作物科學(xué)研究所葉興國研究員和生物技術(shù)研究所裴新梧研究員為論文共同通訊作者。該研究得到了國家轉(zhuǎn)基因重大專項(xiàng)、寧夏重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院創(chuàng)新工程等項(xiàng)目資助。