異源六倍化誘導小麥表型變異的生理學解析

《異源六倍化誘導小麥表型變異的生理學解析》是依託東北師範大學，由楊春武擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：異源六倍化誘導小麥表型變異的生理學解析
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：楊春武
• 依託單位：東北師範大學

項目摘要

普通小麥是由二倍體節節麥（DD genome）和栽培四倍體小麥 (AABB genome)經雜交和染色體加倍形成的異源六倍體。在小麥形成前，其二倍體和四倍體祖先已獨立進化數十萬年，選擇壓力的巨大差異可能已經將二者雕琢成完全不同的生理系統。異源六倍化後兩個完全不同的生理系統融合，生理代謝特點將如何變化？進化過程中又將如何演化？對這些問題的解析無疑對理解小麥進化具有重要意義。本項目擬用小麥的二倍體和四倍體祖先人工合成六倍體小麥來模擬普通小麥的瞬時形成過程；通過比較合成小麥與自然六倍體小麥的差別來分析長期進化的影響，也使用抽提四倍體小麥（將六倍體的DD染色體抽離）與其六倍體供體、自然四倍體相比，來探討長期進化過程中AB亞基因組發生哪些變化。我們前期工作已經證明，六倍化後小麥根生物量和氮利用效率都明顯增加。本項目擬利用上述材料，研究小麥六倍化過程中，這兩個關鍵表型變異的生理生化機制，二者是否關聯。

結題摘要

目前全世界廣泛種植的小麥（普通小麥）是一個僅形成不到一萬年的年輕異源六倍體物種。六倍體小麥形成後，隨即取代其四倍體祖先，迅速從它的誕生地“美索不達米亞”擴散到全世界。然而時至今日，人們對小麥進化和馴化過程所知甚少，特別是，幾乎無人涉及六倍體小麥形成過程中表型變異的生理生化機制。本項目使用小麥的二倍體和四倍體祖先人工合成六倍體小麥來模擬普通小麥的瞬時形成過程；通過比較合成小麥與自然六倍體小麥的差別來分析長期進化的影響，也使用抽提四倍體小麥（將六倍體的DD染色體抽離）與其六倍體供體、自然四倍體相比，來探討長期進化過程中AB亞基因組發生哪些變化。本項目利用上述材料，研究了小麥六倍化過程中，表型變異的生理生化機制。我們獲得了三方面的研究結果： 1. 項目研究發現在低氮條件下，合成六倍體小麥莖葉氮含量明顯高於其二倍體和四倍親本。合成六倍體小麥在低氮條件下具有較高的根冠比和質子外排速度。更高的質子外排速度可能促進合成六倍體小麥吸收更多的氮。更高的根冠比使合成六倍體小麥用更多的根供應更少的地上部分，這可能是合成六倍體小麥的重要適應機制。此外，我們也發現NPF可能是小麥氮利用效率進化的關鍵基因。 2. 項目研究結果表明小麥從四倍體到六倍體的進化過程中抗旱性沒有變化，也就是說小麥高抗旱性可能形成於四倍體時期 (三十萬年前)，人類的馴化並未增加其抗旱性。 3. 課題組使用倍性反轉的抽提四倍體小麥材料的研究表明，抽提四倍體小麥糖和胺基酸代謝出現明顯的異常，分析原因可能是莽草酸和蔗糖代謝異常引起的。這直接表明小麥馴化過程對BBAA基因組產生了巨大影響。 總的來說，本項目的研究結果極大的豐富了小麥適應性進化理論，闡明了小麥幾個關鍵表型進化的生理過程。本項目的研究結果還可為進一步的小麥基因工程育種提供啟示。