昨天王瑞博士推送了小麦LFN与小麦籽粒品质的文章，很有意思，也提到了preharvest sprouting与之的关系。Preharvest sprouting中很关键的一个因素就是种子的萌发/休眠调控。今天就来介绍几篇小麦种子萌发相关的研究，主要由日本科学家完成。先说点题外话，小麦的育种和功能基因挖掘，美国、澳大利亚、英国、瑞士、以色列和中国团队的研究文章是我们最常看到的，但是不要忽视日本科学家的贡献，像早期的T.R.Endo教授，以及日本的KOMUGI种质资源库，都是大名鼎鼎，其实早期NCBI上小麦的EST库很多也是日本科学家提交的。一方面他们的工作很扎实、可信（下面会提到），另一方面他们的科研嗅觉很敏锐，像07年日本科学家就在PC上(Genetic and Epigenetic Alteration among Three Homoeologous Genes of a Class E MADS Box Gene in Hexaploid Wheat)报道小麦A、B、D上部分同源基因TaWLHS1存在进化差异，且与表观修饰有关。

书归正传，小麦的种子萌发/休眠的QTL中稳定性和适用性最大的两个是3A上的QPhs.ocs-3A.1和4A上的 Phs1。2011年PC上的文章主要围绕QPhs.ocs-3A.1开展，第一作者是Shingo Nakamura和Fumitaka Abe，通讯作者是Shingo Nakamura。

该研究运用的是正反遗传学结合的方法。由于QPhs.ocs-3A.1是温度调控小麦种子萌发的QTL，所以作者比较了不同温度下两个小麦品种种子的转录组数据，发现表达变化>10倍的基因中，都出现了MFT基因（同时该基因在水稻、拟南芥中都与温度调控种子萌发有关）。进一步利用QPhs.ocs-3A.1的相关群体和关联marker，发现该基因与该遗传位点共分离。同时，也发现了该基因在QPhs.ocs-3A.1的定位群体母本中存在启动子区域SNP和表达差异，并利用回转实验证明了这种差异就是母本间种子萌发差异的原因。

    第二篇研究于2016年发表在《Current Biology》上，围绕4A上的Phs1开展，第一作者为Atsushi Torada和 Michiya Koike，通讯作者为Atsushi Torada（上篇也是这样，难道日本人喜欢自己又做一作又做通讯呀，哈哈~）。

这篇文章利用的是经典的正向遗传学，证明TaMKK3-A是Phs1的负责基因。具体研究过程我就不再赘述，我们公众号已经很多次说过了。这篇文章报道之前，15年在《Genome Biology》上澳大利亚CSIRO堪培拉中心Jose M. Barrero博士也以“Transcriptomic analysisof wheat near-isogenic lines identifies PM19-A1and A2 as candidates for a majordormancy QTL”为题利用正向（用到了NIL群体）和反向（转录组）遗传学结合鉴定了Phs1的候选基因，但基因不是TaMKK3-A。而《Current Biology》上日本科学家这篇文章背靠背还有一篇文章（作者是PC上那篇的一作和通讯），在大麦中共线性区域图位克隆到HvMKK3是控制种子萌发的关键基因。17年Uauy课题组通过单倍型分析，进一步证实TaMKK3-A是Phs1的负责基因。

通过上述几个围绕小麦种子萌发/休眠QTL开展的工作，我们见识到了小麦重要农艺性状基因克隆的几种常见方法，也看到了各种方法的优缺点（在我们的《Trends in plant science》综述“From genome to gene: a new epoch for wheat research?”中有更详细的阐述）：

反向遗传学、正反遗传学结合的优点是实验周期短，但候选基因的选择是关键，需要很深的学术造诣，要兼顾表型、生理、初定位情况，也要对模式植物中的相关研究融会贯通；这种方法在小麦研究中有成功案例，但也有出现判断失误的案例，比如所选的候选基因并不是QTL真正负责基因；而且挑选候选基因时，往往容易受模式植物中相关研究的影响，而忽视小麦的特异基因。

正向遗传学可信度高，但在小麦中实验周期长，需要实验室长期的积累（就像本文中日本科学家这样，一直从事小麦萌发QTL的研究，前期积累了大量的遗传材料、开发了大量的marker；两篇文章间隔则达到5年之久）。

最后还有一点启示，就是大麦的重要意义。大麦是二倍体，基因组相对普通小麦来说较简单，不存在基因冗余的问题，同时全基因组信息已经公布；大麦与小麦亲缘性高，与小麦基因组具有很大的共线性；选择的供试大麦如果是春性材料，在温室中一年可加代4-6次。

编者按：尽管近两年的IF不是很理想，Plant Cell（下简称PC）无疑仍是也将会继续是植物学研究的殿堂级期刊。上周二（11月28日）小编推送小麦种子萌发/休眠的QTL文章时，提到了日本学者在PC上的两篇文章（小麦种子萌发相关QTLs的研究--窥视小麦功能基因挖掘的不同途径），接下来我们准备趁热打铁，将2005年以后在PC上发表的小麦领域研究论文进行逐一梳理和推送，以飨读者。。由于对研究内容要求较系统、文章发表要求较高和审稿机制较严格，PC上面的文章确实值得深入学习；但我们公众号倡导大家把更多的目光放在学习这些文章的思路、内容和意义上，而不是只看重和崇拜高影响因子。

Fig.1. PC上小麦领域研究文章是时间分布图（2005年至今）

正文：总的来说，PC上小麦领域的研究文章（以wheat为关键词在PC主页检索）2005年以来一共发表22篇，平均每年不到2篇，说明小麦的研究发在PC上还是很难的；发表篇数最多年份为2014年，巧合的是这一年也是IWGSC的小麦全基因组草图发布的那一年（Fig.1）。

通过对文章研究内容进行分析，这22篇文章涉及了小麦的进化、关键QTL的克隆、生物胁迫与非生物胁迫、籽粒大小与硬度等小麦研究的热点问题，其中小麦多倍体化和抗病相关的研究文章最多（Fig.2）。这些文章的通讯作者，包括了Jorge Dubcovsky、Beat Keller、Catherine Feuillet等小麦研究领域的权威。

Fig.1. PC上小麦领域研究文章是关键词分布图（2005年至今）

在这22篇研究文章中，国内实验室一共发表了5篇文章（Table1）；其实这也是国内实验室在PC上发表小麦文章的总篇数（2005年以前国内实验室没有在PC上发表过小麦领域文章）。中科院上海植生所唐威华研究员课题组于2012年12月发表了第一篇，当然这一篇主要是以Fusarium graminearum（禾谷镰刀菌）为研究对象展开的。接下来是2014年初山东大学夏光敏课题组围绕小麦耐盐关键基因的研究论文，14年晚些时候，毛龙课题组、刘宝课题组和韩方普课题组分别从表观组、人工合成小麦、rDNA等角度在PC上阐述了小麦多倍体化问题。2014年PC上国内课题组小麦文章的爆发式发表，也表明我国在小麦研究领域的实力越来越强。

Table1. PC上国内实验室发表的研究论文信息

接下来，今天给大家讲讲2014年初山东大学夏光敏课题组在PC上发表的“A Wheat SIMILAR TO RCD-ONE Gene Enhances Seedling Growth and Abiotic Stress Resistance by Modulating Redox Homeostasis and Maintaining Genomic Integrity”这篇文章。这是PC第一次也是目前唯一一次发表我国关于小麦功能基因及作用机制研究的论文。笔者有幸也参与到这篇文章的发表过程中，对PC的审稿之严、研究内容要求之细深有体会。

这篇文章的成功发表，得益于两大因素。首先，是实验室长期的积累。这种积累要从上个世纪90年代讲起，那时，陈惠民先生、夏光敏教授带领团队创建了通过非对称体细胞杂交方法创制小麦渐渗系的新技术，成功培育了一系列具有优良性状的小麦渐渗系（山融系列），其中包括小麦耐盐抗旱新品种山融3号（SR3）和耐盐碱新品系山融4号（SR4）。非对称体细胞杂交技术，可以实现微量甚至痕量外源DNA序列的渐渗，所以创制的后代与母本的亲缘性非常高，但又表现出显著的表型差异；这种特点十分类似于EMS等突变体材料。所以，这种特殊的小麦遗传材料，十分适合正反向遗传学结合的方式来挖掘其特异表型背后的关键基因。基于此，夏光敏课题组于2000年左右开始由细胞遗传学向分子遗传学转型，以山融3号为材料，一方面通过正向遗传学做QTL mapping，另一方面通过比较SR3与其母本（两者之间遗传变异小）的转录组、蛋白组和代谢组，反向筛选小麦耐盐重要功能基因。

这篇文章成功发表的另一大因素，就是正反向遗传学的完美结合。经过上述的长期积累，夏光敏课题组将SR3耐盐的一个高效QTL定位到5AL某段区间内；同时转录组、蛋白组和代谢组数据都指向SR3体内相对较高的ROS含量和较强的氧化还原稳态维持能力（Fig.3）。

Fig.3. The Abiotic Stress Tolerance of Cultivar SR3

结合这两个指标，于2006年筛选到TaSRO1这个耐盐主效候选基因，也就是这篇PC文章的主角。经过近十年的研究，发现该基因编码一个多聚腺苷酸二磷酸核糖基聚合酶(PARP)，该酶在识别ROS等引起的DNA损伤以及DNA损伤修复中起重要作用。山融3号中该基因发生了等位变异，使PARP酶活性明显提高（Fig. 4）。通过在小麦中过表达和RNAi敲低该基因，证实TaSRO1通过调控氧化还原稳态和提高基因组损伤修复能力促进生长发育、增强耐盐能力。

Fig.4. Structural analysis

总结起来，这篇文章给我们以下启示：

首先，拿到一个特殊小麦材料，开展相关课题前，一定要对这个材料进行全方位的分析，这样才能找到最适合这个材料的研究方法。

其次，小麦的研究周期真的很长，需要持之以恒的毅力；但真的深入做下去，你会发现小麦研究不一样的精彩和奥秘。就像这篇文章，PC的reviewer提问的，SRO蛋白在拟南芥和水稻中都不具有PARP酶活，但是在小麦中却存在。进化上是为什么呢？欢迎留言讨论。提示两点，小麦六倍体，PARP的功能。你的独到见解说不定这篇文章的作者也能在这里看到哦~

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