陈时盛&何中虎：小麦界的科研大咖
陈时盛&何中虎：小麦界的科研大咖
在广袤的田野上，两位小麦研究专家正为我国的粮食安全贡献着自己的智慧和汗水。中国农业科学院作物科学研究所的何中虎研究员和他的团队，通过多年努力培育出了多个优质小麦品种；北京大学现代农业研究院的陈时盛研究员，则致力于让小麦拥有更强的抗病能力。这两位小麦界的科研大咖，正在用他们的智慧和汗水为我国的粮食安全保驾护航。
何中虎：让小麦品质更优
在中国农业科学院的国家小麦改良中心，十多个冬小麦植株像孩子一样“排排坐”——株高1米多的“北京8号”“北京10号”，株高约1米的“丰抗8号”，株高80厘米左右的“中麦578”……这些“孩子”，是何中虎所在的作物科学研究所小麦品质研究与新品种选育团队多年的结晶。
“你看这一代代小麦品种，植株的高度明显降低，小麦的平均亩产量也由以前的五六百斤翻倍到现在的五六百公斤。”身为团队首席科学家的何中虎说，陪伴着这些“孩子”的辈出，团队从庄巧生院士建立的冬麦育种组不断发展壮大。如今，一个个优质小麦品种在广袤田野溢着浓浓麦香，润着百姓心田。
“比如‘中麦578’抗病抗高温，高产早熟，现在是黄淮麦区的主栽品种，仅2024年订单收购量就高达110万吨，以每公斤加价约0.2元的订单收购价来算，仅优价部分就实现种植户增收2亿多元！”
何中虎团队的实验室里，磨面机、轧面机、电磁炉、煮锅、烤箱一应俱全，宛如一家“面食加工厂”。何中虎带领团队经过对成千上万样品的品尝、分析、对照、检验，最终确定了包括蛋白质、淀粉特性、颜色在内的3项指标，引入当时新兴的分子标记技术，在基因层次阐释面条品质遗传机理，使品质育种有规律可循。随后，馒头、饺子等主食的评价方法也逐一出炉。
2008年，何中虎主持完成的“中国小麦品质评价体系建立与分子改良技术研究”项目，获得国家科技进步奖一等奖。中国农业科学院作物科学研究所研究员张艳在品质研究室工作了29年。“我女儿常跟我开玩笑说，妈妈磨了一辈子面粉、揉了一辈子面。”采访中，张艳骄傲地抬高嗓门，“我就是揉了一辈子面，现在面团一过我的手，我就知道面粉是强筋、中筋还是弱筋。”
陈时盛：让小麦更抗病
近日，北京大学现代农业研究院陈时盛团队在Science China Life Sciences（《中国科学：生命科学》英文版）在线发表了题为“Mutations in wheat TaAPA2 gene result in pleiotropic effects on plant architecture”的文章。研究通过图位克隆、EMS突变体、CRISPR/Cas9基因编辑和转基因互补实验克隆了小麦TaAPA2基因，该基因控制小麦叶、穗、籽粒等多种形态性状。TaAPA2编码一个特殊蛋白，含有vWA和Vwaint结构域，该蛋白突变存在显性负效应，并可能通过质子泵(H+ -ATPases)调控小麦形态建成。
陈时盛团队前期鉴定到18个独立的宁春4号EMS突变系，表现出叶和种子短圆、颖壳变短、叶夹角变小和延迟开花等多种表型变化。利用图位克隆方法，获得候选基因TaAPA2，该基因的点突变引起小麦多种形态性状的改变。除了18个宁春4号的EMS突变体，该研究还获得周麦36和Cadenza的EMS突变系，都在该基因存在点突变并造成类似的表型变化。TaAPA2编码一个特殊蛋白具有vWA和Vwaint结构域。随后，利用CRISPR/Cas9基因编辑和稳定的转基因实验对TaAPA2进行了进一步功能验证。该研究发现semi-dominant的EMS和基因编辑突变可能是通过显性负性效应（dominant-negative effects）起作用，证明突变蛋白与正常蛋白存在竞争性相互作用且存在剂量效应。在128份普通小麦和158份节节麦材料中，共发现了6种TaAPA2的单倍型。其中，单倍型H1在普通小麦品种中属于优势类型，而H2在节节麦中属于优势单倍型。TaAPA2主要在穗部和SAM（shoot apical meristem）中高表达，且亚细胞定位显示其定位于细胞质和质膜。另外，该研究还发现TaAPA2与TaCCDC115（TraesCS2A02G364600）蛋白互作，且该互作会受到TaCCDC115的互作蛋白V-ATPase亚基TaVHA-c（TraesCS5D02G130000）的干扰，推测TaAPA2、TaCCDC115和V-ATPase复合体之间存在潜在的调节机制。综上所述，该研究克隆到了调控小麦植株形态建成的关键控制基因TaAPA2，为人们了解含有vWA结构域的蛋白在调控小麦植株形态中的功能机制奠定了基础。
小麦TaAPA2基因的克隆、功能验证和机制解析
研究详情请见原文 ▼
Mutations in wheat TaAPA2 gene result in pleiotropic effects on plant architecture. https://doi.org/10.1007/s11427-024-2620-7
中国农业科学院作物科学研究所刘录祥团队利用其它背景EMS突变体开展了该基因的研究，得到相似的结论，论文“Identification of a von Willebrand factor type A protein affecting both grain and flag leaf morphologies in wheat”以“背靠背”形式发表在SCIENCE CHINA Life Sciences杂志。刘录祥团队利用小麦圆粒突变体rg1进行图位克隆，发现编码vWA-Vwaint蛋白的基因调控籽粒大小与旗叶形态。该基因关键位点氨基酸变异引起圆粒和短旗叶表型，可能与单萜合成途径关键酶MCT互作，影响内源GA和ABA水平，从而导致籽粒和旗叶形态变化。
陈时盛团队前期鉴定到18个独立的宁春4号EMS突变系，表现出叶和种子短圆、颖壳变短、叶夹角变小和延迟开花等多种表型变化。利用图位克隆方法，获得候选基因TaAPA2，该基因的点突变引起小麦多种形态性状的改变。除了18个宁春4号的EMS突变体，该研究还获得周麦36和Cadenza的EMS突变系，都在该基因存在点突变并造成类似的表型变化。TaAPA2编码一个特殊蛋白具有vWA和Vwaint结构域。随后，利用CRISPR/Cas9基因编辑和稳定的转基因实验对TaAPA2进行了进一步功能验证。该研究发现semi-dominant的EMS和基因编辑突变可能是通过显性负性效应（dominant-negative effects）起作用，证明突变蛋白与正常蛋白存在竞争性相互作用且存在剂量效应。在128份普通小麦和158份节节麦材料中，共发现了6种TaAPA2的单倍型。其中，单倍型H1在普通小麦品种中属于优势类型，而H2在节节麦中属于优势单倍型。TaAPA2主要在穗部和SAM（shoot apical meristem）中高表达，且亚细胞定位显示其定位于细胞质和质膜。另外，该研究还发现TaAPA2与TaCCDC115（TraesCS2A02G364600）蛋白互作，且该互作会受到TaCCDC115的互作蛋白V-ATPase亚基TaVHA-c（TraesCS5D02G130000）的干扰，推测TaAPA2、TaCCDC115和V-ATPase复合体之间存在潜在的调节机制。综上所述，该研究克隆到了调控小麦植株形态建成的关键控制基因TaAPA2，为人们了解含有vWA结构域的蛋白在调控小麦植株形态中的功能机制奠定了基础。
小麦TaAPA2基因的克隆、功能验证和机制解析
研究详情请见原文 ▼
Mutations in wheat TaAPA2 gene result in pleiotropic effects on plant architecture. https://doi.org/10.1007/s11427-024-2620-7
刘录祥团队鉴定到一个以冬小麦品种中麦175为背景的圆粒突变体rg1，同时表现旗叶短和株高降低表型。利用遗传分离群体将该基因精细定位至7D染色体163 kb区间。通过序列变异分析发现，包含vWA和Vwaint结构域的TraesCS7D02G010200基因编码区第1094位碱基发生G到A的突变，造成甘氨酸变为天冬氨酸。利用以京411和农大5181为背景的7个圆粒且旗叶短突变体发现，TraesCS7D02G010200基因不同位点错义突变引起籽粒和旗叶形态改变。蛋白三级结构预测表明，RG1蛋白关键位点尤其是在高度保守的Vwaint结构域位点氨基酸变异造成圆粒和短旗叶表型。进一步蛋白互作和激素含量测定表明，RG1与单萜合成途径的关键酶MCT互作，调控内源GA和ABA水平，进而影响籽粒和旗叶形态。该研究还利用自然变异群体鉴定到调控籽粒形态及粒重的优异单倍型。该研究将编码vWA结构域蛋白基因功能拓展至调控籽粒大小和旗叶形态，为小麦和其他禾本科作物籽粒大小和粒重改良提供理论基础和基因资源。
小麦rg1基因的图位克隆与功能阐析
研究详情请见原文 ▼
Identification of a vonWillebrand factor type A protein affecting both grain and flag leafmorphologies in wheat. https://doi.org/10.1007/s11427-024-2629-1
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突变育种手册：原书第三版
ISBN 978-7-03-072698-8
刘录祥 等译
北京：科学出版社，2022.10
本书第1章和第2章主要介绍了各种理化诱变因素及其剂量测定方法和辐射处理方案等；第3章则论述了突变的遗传基础；第4章重点介绍了诱变处理种子当代产生的损伤和生物学效应；第5章和第6章则在此基础上对诱变处理后有性繁殖和无性繁殖作物各世代的种植选育方法做了详细介绍；第7章突出介绍了高产、抗逆、品质等重要性状的突变育种技术方法；第8章以离体培养技术、加倍单倍体技术、标记和基因分型为主要内容，阐述了诱发突变与分子生物学技术相结合来提高突变育种效率的技术方法。
（本文编辑：刘四旦）
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