小麦穗长主效QTL QSL.caas-6BL.1的精细定位与候选基因TraesCS6B03G1211800的功能解析

《Frontiers in Plant Science》：Fine mapping and candidate gene mining of major QTL QSL.caas-6BL.1 for spike length in bread wheat (Triticum aestivum L.)

本研究通过高密度遗传作图和基因型-表型共分离分析，将小麦穗长（Spike Length, SL）主效数量性状位点（Quantitative Trait Locus, QTL）QSL.caas-6BL.1精细定位到6B染色体上一个3.3 Mb的物理区间（708.2–711.5 Mb）。结合基因组注释、转录组分析和序列变异筛选，研究者发现NAC转录因子基因TraesCS6B03G1211800是调控穗长的关键候选基因，其在长穗亲本中显著上调表达且编码区存在错义突变。该研究为理解小麦穗部发育遗传机制及分子标记辅助选择（Marker-Assisted Selection, MAS）育种提供了重要资源。

　　

背景

小麦（Triticum aestivumL.）是全球重要的粮食作物，穗部结构是决定籽粒库容量和产量的核心因素。穗长（Spike Length, SL）作为一个关键农艺性状，与每穗小穗数、千粒重和单株产量等多个产量相关性状存在显著正相关，因此成为小麦遗传改良的重要目标。然而，SL是一个复杂的数量性状，受多基因和环境因素共同调控。尽管已有多个SL相关的QTL被报道，但多数尚未被精细定位和克隆，限制了其优良等位基因在育种中的应用。

材料与方法

本研究利用冬小麦品种Doumai（DM，短穗）和Shi 4185（长穗）构建的重组自交系（Recombinant Inbred Line, RIL）群体及其衍生的高级世代群体进行遗传分析。田间试验在山东淄博和青岛两个地点连续三个生长季（2022–2025年）进行，精确测量主穗穗长。基于亲本基因组重测序数据，在6B染色体初始目标区间（700–721 Mb）内开发了11个高密度分子标记（包括InDel、CAPS和KASP标记）。通过筛选F₄和F₅代群体中的重组个体，并结合基因型-表型共分离分析，逐步缩小QTL区间。此外，在穗发育的关键时期（雄雌蕊分化期）采集DM和Shi 4185近等基因系（Near-Isogenic Line, NIL）的幼穗进行RNA-seq转录组分析，并利用qRT-PCR验证差异表达基因。

结果

3.1 穗长QTL的表型验证

亲本DM和Shi 4185的穗长在两个环境下均存在极显著差异（P < 0.05），Shi 4185的穗长显著长于DM。RIL群体的穗长呈现连续分布，符合数量性状特征，表明该群体适合进行QTL定位。

3.2 QSL.caas-6BL.1的精细定位

通过大规模筛选重组个体和精细基因型分析，成功将主效QTL QSL.caas-6BL.1界定在6B染色体上一个3.3 Mb的物理区间（708.2–711.5 Mb）。该区间内共注释到25个高置信度基因。

3.3 目标区域的基因组特征

比较基因组学分析发现，亲本在该区间内18个基因的开放阅读框（Open Reading Frame, ORF）中存在序列变异，包括10个基因的错义突变和14个基因的移码或破坏性突变。初步筛选出3个因存在蛋白功能改变性突变而具有潜力的候选基因。

3.4 候选基因的转录组分析

幼穗转录组分析鉴定出5046个差异表达基因（Differentially Expressed Genes, DEGs）。聚焦于精细定位区间内的25个基因，发现仅有TraesCS6B03G1211800同时满足两个关键条件：在亲本间存在显著差异表达（在长穗亲本Shi 4185中上调），并且其编码序列存在导致氨基酸改变的变异。qRT-PCR结果与RNA-seq数据高度一致。GO和KEGG富集分析表明，差异表达基因显著富集于催化活性、光合作用相关组件、转录调控以及碳水化合物和氨基酸代谢等通路，反映了穗发育过程中复杂的分子调控网络。

3.5 多证据整合确定候选基因

通过整合遗传定位、基因组变异、表达谱和同源性分析，最终确定TraesCS6B03G1211800为最可能的致病候选基因。该基因编码一个NAC转录因子，其水稻同源基因属于已知调控穗部结构的基因家族。值得注意的是，该区间内另一个基因TraesCS6B03G1211100（KAT-2B）是已报道的粒重调控因子，但共分离分析表明穗长表型与TraesCS6B03G1211800的基因型完全共分离，而与KAT-2B的基因型无关，从而在遗传上将该SL QTL与连锁的粒重效应分离开来。

讨论

本研究将QSL.caas-6BL.1精细定位到一个明确的基因组区域，该区域与已报道的穗紧密度QTL QSc.cau-6B.1物理位置相邻，表明6BL远端是一个调控穗部结构的基因组热点区域。候选基因TraesCS6B03G1211800作为NAC转录因子，可能通过调控穗轴分生组织的活性、影响细胞周期或整合激素信号通路来调节穗长。研究开发的KASP功能标记可直接用于小麦分子标记辅助选择育种，加速长穗种质的选育进程。本研究建立的多组学整合分析框架为多倍体作物复杂性状的解析提供了范例。

结论

本研究成功精细定位了小麦穗长主效QTL QSL.caas-6BL.1，并通过多证据整合策略将NAC转录因子基因TraesCS6B03G1211800确定为核心候选基因。研究成果不仅深化了对小麦穗部发育遗传基础的理解，也为小麦产量性状的遗传改良提供了重要的基因资源和分子工具。