【Science Advances期刊】调控大麦籽粒数量的分子机制

2023年3月，德国莱布尼茨研究所的Yongyu Huang等人在Science Advances发表了题为A molecular framework for grain number determination in barley的文章，发现了控制大麦穗状花序发育中的关键基因，旨在揭示调控大麦籽粒数量的分子机制。

01

影响大麦籽粒数量的因素

基因控制

遗传变异

气候条件

土壤养分

栽培管理

图1.大麦潜在小穗数的自然变化及其存活率

02

该研究对358个来自不同生态区域的春大麦品种进行潜在穗粒数测定，以分析潜在穗粒数与最终穗粒数和籽粒数之间的相关性。结果显示潜在穗状花序数仅占最终穗状花序数变异的57%，仅占籽粒数变异的11%。证明大麦穗状花序的最终数量不仅受潜在穗状花序数影响，还受穗状花序存活率影响。

图2.野生型(BW)及突变体(tst2.b)大麦的花序结构以及基因分离示意图

03

在VRN-H2突变体中表现出了较多的潜在小穗数量，但也有更多的小穗凋亡。结果表明开花时间基因在调控潜在小穗数量方面起主导作用，但最终小穗数量还取决于后续生长阶段的小穗存活率。

图3.HvCMF4表达模式和偶联转录程序

图4.HvCMF4 在第一生长阶段后协调转录重编程

04

维管束变小会导致籽粒大小减小，叶绿体对花药发育有重要作用。HvCMF4是能调控花萌发和存活的一种光感因子，通过维管束信号传导调控小穗的转绿。通过激光捕获显微切割和RNA测序分析发现HvCMF4在维管束中的表达与小穗转绿有关。

图5.野生型(BW)和突变体(tst2.b)中维管模式、植物激素和光合产物的比较

图6.HvCMF4 可能通过光信号通路调节小穗生长

05

通过遗传分析和田间试验，发现HvCMF4BCC719等位基因与PPD-H1的有利等位基因结合，可将小穗数量提高约39%。该研究发现基因型与环境互作对大麦的潜在小穗数量、最终小穗数量和籽粒数量有显著影响，利用HvCMF4和PPD-H1的有利等位基因进行分子标记辅助选择，可以显著提高大麦的籽粒数量。

图7.天然 HvCMF4变体通过提高小刺存活率来增加小穗数量

该研究对358个大麦品种的表型进行分析，揭示了HvCMF4作为光感应因子调控花序萌发和存活的重要作用，表明实际生产中需要合理调整播种期和光照条件以优化籽粒产量，为未来的大麦遗传改良和农业生产提供了重要参考。

原文链接：doi :10.1126/sciadv.add0324