小麦灌浆期常遭遇由阴、雨等不良气候条件引起的弱光胁迫，直接影响光合效率，造成灌浆强度锐减，生长受到影响，制约了小麦产量及品质的形成。为了探究弱光胁迫对小麦籽粒发育和相关基因表达的影响，本研究以小麦种质ZY96-3为材料，通过遮光处理模拟弱光环境，分析小麦灌浆期粒重和籽粒大小动态变化，测定淀粉、总蛋白和相关酶活性差异，并采用转录组测序技术对遮光处理籽粒形成过程中产生的差异表达基因进行了分析和筛选。 本研究主要结果如下： 1. 遮光对籽粒形成过程中粒重和形态指标的影响 遮光条件下，小麦 ZY96-3籽粒干重在灌浆期内呈现“慢-快-慢”的线性增长趋势，在花后10-15 d内增长较慢，15 d后开始快速增长，直至25 d后缓慢增长；籽粒鲜重在花后10-40 d内的变化趋势表现为“先上升后下降”，从花后10 d开始快速增长至25 d达到峰值，随后缓慢下降；籽粒干重和鲜重在花后10-40 d均显著低于正常光照籽粒，分别下降了51.4%和36.3%。籽粒的长、宽和厚度在灌浆期均呈“先上升后下降”的变化趋势，遮光导致籽粒长度到达峰值的时间从花后35 d提前至30 d，且在各时期长度均显著变短。遮光下籽粒宽度和厚度在花后10 d时未产生显著差异，未改变到达峰值的时间，但在花后15-40 d内均显著低于正常光照下的籽粒。 2. 遮光对籽粒灌浆参数的影响 利用Logistic方程对籽粒的灌浆进程进行拟合，遮光条件下，小麦ZY96-3籽粒的最大和平均灌浆速率均显著降低，分别下降1.56 g/d和0.82 g/d，灌浆速率高峰期从20 d延后至25 d左右，各时期的干物质增长量显著减少，但灌浆持续天数显著增加。同时，遮光还导致籽粒灌浆渐增期和快增期持续天数的降低，而缓增期持续天数延长，其中灌浆缓增期持续天数的显著延长是灌浆持续天数增长的主要原因。 3. 遮光对籽粒相关生理生化指标的影响 遮光处理下籽粒的总淀粉及直/支链淀粉含量在花后10 d相较于正常光照下的籽粒略有提高，但在15、20和25 d分别降低了55.8、88.6和66.0 mg/g，说明遮光使灌浆前期籽粒总淀粉及直/支链淀粉合成较快，但后续由于光合物质的供应不足而使得籽粒中的淀粉积累速率下降，且相对于支链淀粉，遮光对直链淀粉的影响更大。籽粒蛋白质含量在花后10-25 d呈现先“先下降后上升”的变化趋势，其相对含量在10、15、20和25 d时分别高于正常光照籽粒1.24、1.79、1. 24和2.49 %。 正常光照和遮光处理下籽粒的AGPase、GBSS、SSS和SS-I活性在花后10-25 d内均呈现“先上升后下降”的变化趋势，在花后2 0 d到达峰值。PPDK活性在花后10-25 d则呈逐渐上升的变化趋势。相较于正常光照下的籽粒，遮光处理下GBSS和SSS活性在花后10-25 d显著下降，AGPase和SS-I活性显著上升，PPDK活性略微下降，这表明遮光影响了籽粒形成过程中淀粉合成和蔗糖代谢的相关酶活，但并未对丙酮酸磷酸双激酶PPDK活性产生显著的影响。 4. 灌浆期籽粒响应遮光的转录组结果分析 在遮光和正常光照条件下的籽粒转录组数据中共筛选到符合标准的差异基因39596个，其中上调基因20837个，下调基因18759个。在花后四个时期中，20 d的差异表达基因数目最多共计31359个，说明遮光在这个时期对籽粒形成的影响最大。差异基因主要富集到的GO term为光合作用、叶绿体、光系统和固碳等部分，pathway中显著富集的通路主要有蔗糖与淀粉代谢、光合作用、光合生物的碳固定及光合作用-天线蛋白。利用韦恩图比较发现，在遮光条件下，38个基因在花后10、15、20和25 d四个时期均发生差异表达，其中转录因子WALI7、病程相关蛋白PR1和生长素抑制蛋白基因ARP1显著高表达，推测其与籽粒在灌浆期对遮光的响应有关。从中挑选了16个相关差异表达基因进行q-RTPCR检测，结果与转录组测序数据的基因表达趋势基本一致。 综上所述，遮光条件下，小麦灌浆期粒重、籽粒大小、总蛋白、淀粉和相关酶活性等均发生明显改变，38个基因在花后10、15、20和25 d四个时期均发生差异表达。通过本研究筛选到与弱光胁迫相关的一些代谢通路及差异基因，探讨了弱光胁迫的基因表达调控机制，可以为改良小麦弱光适应性和选育高光合效率小麦新品种提供参考。
NETL
