摘要
小麦是世界上最重要的主粮作物之一，为人类提供约 20%的碳水化合物和蛋白质。高产和优质是小麦育种的重要目标。小麦的株型和穗型与产量和品质密切相关。因此，研究株型和穗型相关基因具有重要育种价值。Q是小麦最重要的驯化基因，调控多种重要驯化性状，包括株型、穗型、产量和品质。Q广泛存在于世界各地的栽培小麦品种中，解析Q基因调控株型、穗型、产量及品质的机制，对进一步发掘创制Q优异等位变异和培育优质高产小麦品种具有重要意义。本研究利用化学诱变，获得普通小麦矮杆密穗突变体R-Cp5-1，通过遗传定位、基因表达分析、酵母杂交试验、双荧光素酶报告系统、转录组分析、加工品质测定等研究手段，初步探究了R-Cp5-1穗型和品质变化的机制。通过多次化学诱变，定向选择Q的优异等位变异，依次创制并鉴定了Qc1-a9和Qc1-a9-N1两种等位变异，结合田间试验评估了其对产量和品质的影响。主要结果如下： 1. 与野生型 Roblin 相比，突变体 R-Cp5-1 株高和穗长显著降低。遗传分析显示突变体密穗表型受一个显性单基因控制，通过基因定位和共分离分析，确定导致 R-Cp5-1密穗性状的基因为Q。基因克隆测序发现，突变基因在miRNA172结合位点上游产生了一个错义突变，导致第408个氨基酸残基由脯氨酸（Pro）变成亮氨酸（Leu），将此等位变异命名为Qc5。基因表达分析结果显示，Qc5在不同发育时期的幼穗中表达水平上调，尤其在幼穗发育早期表达水平显著高于野生型。分析发现Qc5的miRNA172结合位点附近mRNA二级结构高度折叠，这阻碍了miRNA172的转录后调控，导致其表达水平上调。 2. R-Cp5-1 的籽粒蛋白质含量、湿面筋含量、面包体积、谷蛋白含量、醇溶蛋白含量和谷醇比均高于野生型。这表明等位变异Qc5通过增加种子储藏蛋白（Seed storage protein, SSP）积累和谷醇比提高小麦加工品质。酵母单杂交、酵母双杂交及双荧光素酶报告系统结果表明， Q 通过与转录因子 Storage Protein Activator（SPA）互作间接调控SSP基因表达。SPA显著增强LMW-1D1-LUC活性，Q抑制SPA对LMW-1D1的转录激活，而Qc5的点突变减弱了其对SPA的抑制作用。此外，通过籽粒转录组数据分析已报道的调控 SSP 基因表达的转录因子，其中只有 Storage Protein Repressor（SPR）的表达水平显著变化。qPCR结果表明SPR的表达量在R-Cp5-1的种子发育过程中较野生型显著降低。综上，Qc5通过减弱与SPA的蛋白互作和降低SPR的表达水平两个方面增加SSP的积累，改善小麦加工品质。 3. 通过多次化学诱变，定向选择突变，逐步在 Q 基因不同区域引入错义突变，在Q基因的上调表达等位变异Qc1基础上依次创制了Qc1-a9和Qc1-a9-N1两种优异等位变异。与现代小麦品种中普遍存在的Q等位变异相比，Qc1-a9含有两个错义突变，部分回复了Qc1导致的极端矮化的植株和紧凑的穗型。多年田间试验结果表明，携带Qc1-a9的品系具有较好的加工品质表现；将其导入主栽高产小麦品种背景中，含Qc1-a9单株籽粒更大，千粒重更高。在Qc1-a9基础上再次引入一个错义突变得到等位变异Qc1-a9-N1。含Qc1-a9-N1的植株具有更优异的农艺性状，在单行和小区播种两种条件下分别提高了11.7%和18.5%的产量，且保持了较好的加工品质。综上，通过多轮突变+定向选择策略创制了可协同提高小麦产量和品质的Q优异等位变异，为小麦高产优质育种提供了新的种质。
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