科學家成功克隆與解析小麥太谷核不育基因

　　太谷核不育小麥是我國科技人員高忠麗于1972年在山西太谷發現的一個顯性核不育小麥材料，是由單顯性核基因控制的自然突變體，其特點是雄性敗育穩定徹底，不受環境條件影響，異交結實率高。它是進行小麥輪回選擇的理想材料。

　　中國農業科學院作物科學研究所（以下簡稱作科所）自上世紀就開始了對太谷核不育材料的研究，且碩果頻出。作科所研究員劉秉華通過雜交構建了矮稈基因和太谷核不育基因緊密連鎖的矮敗小麥，該材料的利用大大提高了小麥育種效率。

　　作科所研究員賈繼增、孔秀英研究團隊對該基因的克隆工作已開展了近20年，近期在克隆與解析小麥太谷核不育基因Ms2方面獲得突破性進展。今年4月24日，孔秀英在第13屆國際小麥遺傳大會上應邀作了大會報告，首次公開報道了該基因。相關研究論文已于近期在Nature Communications發表。文章以作科所為第一完成單位，作科所夏川、張立超、鄒棖為共同第一作者，孔秀英和賈繼增為共同通訊作者。山東農業大學付道林課題組也克隆了該基因并在同一雜志發表。

　　太谷核不育基因Ms2的克隆存在3個巨大的挑戰：一是Ms2所在的4D染色體是小麥21條染色體中多態性最低的一條染色體；二是矮敗小麥中Ms2基因所在區段重組率非常低；三是2012年之前無小麥參考基因組序列發表。矮敗小麥是一個理想的輪回選擇育種材料，但該材料不適合用于Ms2基因的圖位克隆。研究團隊最初選擇了用矮敗小麥構建圖位克隆的群體，本想“一箭雙雕”。然而當染色體步移到一定程度時，發現再也無法繼續前進。

　　進一步研究才發現，這是由于矮稈基因所在基因組片段是一個1Mb 以上的串聯重復，導致該區段的重組被嚴重抑制。為了增加4DS染色體的多態性及提高太谷不育基因區段的重組率，研究人員又用正常株高的太谷核不育材料與多樣性高的人工合成小麥Am3雜交，重新配制分離群體，解決了重組問題與多樣性低的問題。為了解決參照基因組的問題，他們繪制了小麥D基因組的框架圖，使得小麥太谷核不育基因克隆的速度得以大幅度提升，最終成功地克隆了Ms2基因。

　　研究發現，該基因沒有保守的功能結構域，是僅存在于小麥族物種中的“孤兒”基因；Ms2的產生經歷了一個比較復雜的進化過程；一個新的非自主型的TRIM反轉錄轉座子插入到Ms2基因的啟動子區，激活了該基因并使其在花藥中特異表達，導致不育表型的產生；Ms2-TRIM插入只影響基因的表達，這與該團隊以前在矮稈基因Rht3中鑒定的CAAS-TRIM插入引起基因結構改變不同，表明TRIM插入到基因附近增加了基因新功能和表型的可塑性；D基因組的Ms2-TRIM可能來自B基因組的5BL；該研究結果表明小麥多倍體化和富含轉座子的特點為產生新的表型提供了豐富的遺傳變異基礎。

　　該研究得到了國家重點研發計劃、轉基因生物新品種培育重大專項、國家重點基礎研究發展計劃（“973”計劃）、國家“863”計劃和中國農業科學院科技創新工程等項目資助。