表皮蜡质是指覆盖在陆生植物最外层的一层脂质有机混合物，能够保护植物免受干旱、紫外线、病原菌和昆虫等的侵害。定位和克隆小麦表皮蜡质相关基因对于小麦抗逆品种的选育具有很重要的意义。2021年1月6日，中国农业大学小麦研究中心在Theor Appl Genet杂志在线发表了题为“Phenotypic characterization of the glossy1 mutant and fine mapping of GLOSSY1 in common wheat (Triticum aestivum L.)”的研究文章，报道了普通小麦济麦22穗部蜡质缺失突变体glossy1的表型特征，并将其对应的基因位点GLOSSY1精细定位在2DS染色体上308.1 kbp的基因组区间。这些结果为深入分析蜡形成模式的潜在遗传基础铺平了道路，并丰富了我们对蜡代谢调节机制的理解。主要研究结果如下：与野生型济麦22相比，glossy1突变体的颖壳表面呈现明显的光泽表型（图1a-b）。为了表征突变体中表皮蜡的微观结构，我们在扫描电子显微镜(SEM)下观察了济麦22和glossy1植株在开花期(GS65)时沉积在颖壳表面的蜡质晶体，结果发现两种基因型的表面蜡晶体形态有显著差异。具体来说，管状晶体聚集在济麦22的颖壳表面（图1c-d），而glossy1突变体的颖壳具有管状和片状的混合结构（图1c-f）。此外利用透射电子显微镜（TEM）观察和比较济麦22和glossy1的颖壳角质层超微结构，结果并没有显著差异（图1g-h）。
图1. 野生型济麦22和突变体glossy1的表型对比
Figure1 Phenotypic comparison of the wild type Jimai22 and the glossy1 mutant
2. glossy1的蜡质组分和含量分析
为了研究glossy1突变体中穗部无蜡表型的生化基础，在开花期（GS65）采集济麦22和glossy1穗子中部的颖壳进行气相色谱-质谱联用仪（GC-MS）和火焰电离检测（FID）分析，结果图2和表1所示。突变体glossy1的总蜡含量较野生型济麦22的总蜡含量显著降低（P = 0.017；图2a）。关于单个蜡质组分，与济麦22相比，glossy1中的烷烃减少了21％（P = 0.013；图2b）。相反，相比于济麦22，β-二酮在glossy1中增加了140%（P =0.009；图2c）。并且我们还观察到一些不同链长脂肪酸的广泛变化，特别是与济麦22相比，glossy1中C16:0，C24:0和C32:0脂肪酸化合物含量显著降低，但C30:0脂肪酸含量升高（图2d）。但是，两种基因型中总脂肪酸含量和伯醇含量相似，并没有显著差异（图2e；表1）。此外，未知化合物（UN）含量在glossy1中减少了87％（P =1.7E-09；图2f）。总的来说，这些数据表明，glossy1中蜡含量的改变可能是导致穗部光滑无蜡表型的原因。
图2. 济麦22和glossy1的颖壳蜡质组分和含量Figure2 Wax composition in the glumes of Jimai22 and glossy1
3.GLOSSY1位点的精细定位
为了破解glossy1突变的遗传基础，我们将glossy1突变体与穗部具有白霜的普通小麦品种京411杂交，获得了F1并构建了F2分离群体。在田间统计1344个F2分离群体的表型，有蜡个体:中间型个体:无蜡个体的比例为352:690:302，经卡方检验符合1:2:1的分离比例（χ2 = 4.68, P >0.05），这些结果表明，glossy1突变体穗部无蜡性状受半显性单基因控制。为了定位GLOSSY1位点，我们利用小麦染色体上均匀分布的1,209个已发表的SSR标记检测京411和glossy1之间的多态性。通过筛选共获得在双亲间具有多态性的引物206对，用这些多态性引物对从F2群体中挑选的30株具突变体表型的个体做进一步筛选，结果显示只有小麦染色体2DS特异的一对多态性引物cfd51与颖壳无蜡性状具有明显的连锁关系，由此推断控制光滑颖壳表型的GLOSSY1基因位于小麦的2DS染色体上（如图3a）。接着，以中国春参考基因组IWGSCRefSeq v.1.1为基础，在cfd51（SSR-3）附近开发了32个SSR标记和24个InDel标记，在双亲间具有多态性的引物共9对，包括7个SSR标记（SSR-1~SSR-7）和2个InDel（InDel-1~InDel-2）标记。用这9个标记对1344个F2单株进行基因型的鉴定，最终将GLOSSY1定位在分子标记SSR-1和SSR-2之间，二者距GLOSSY1位点的遗传距离分别为2.4cM和1.7cM（如图3b）。为了进一步缩小GLOSSY1的基因组定位区间，我们使用SSR-1和SSR-2以及四个新开发的多态性标记（SSR-8，SSR-9，STARP-1和STARP-2）对1459个F3单株进行基因分型。共鉴定出28个重组交换个体，这些交换个体分别属于6种不同的交换类型（R1-R6）。结合基因型和表型数据，重组类型R1、R3、R5和R6将GLOSSY1基因定位于标记SSR-8的下游，而重组类型R2和R4将GLOSSY1基因定位于标记SSR-9的上游。综合上述，GLOSSY1被精细定位在标记SSR-8和SSR-9之间大约308.1kbp的基因组区域（如图3c-d），其中包含10个高置信度基因（TraesCS2D02G014200-TraesCS2D02G015100）（如图3e）。Figure 3 Fine mapping of GLOSSY1
4.GLOSSY1是位于2DS染色体的新蜡质位点
近年来，控制蜡质表皮合成的一些基因相继被定位于小麦的不同染色体上，包括定位于2BS染色体上的W1、W3和Iw1，2DS的W2和Iw2，3DL的W4，1BS的Iw3和1AS的Ws。前人的研究已经分别将W2和Iw2定位于2DS染色体的末端和靠近着丝粒的位置。本研究从EMS诱导优质小麦品种济麦22的突变体中鉴定出具有光滑颖壳表型的glossy1，并将其对应的基因位点精细定位到2D染色体短臂上308.1 kbp的基因组区间。尽管GLOSSY1和Iw2均定位在2DS染色体的短臂，但二者在很多方面均不同。第一，根据其各自的表型，Iw2在叶片、叶鞘、茎秆和穗子等部位均有明显作用，而GLOSSY1主要作用局限于穗部性状。第二，GLOSSY1和Iw2表现出不同的遗传特性。第三，GLOSSY1和Iw2分别定位于2DS染色体上不同且不重叠的位置（见图4）。综上所述，GLOSSY1是2DS染色体上新的蜡质位点，可能与蜡质生物合成基因簇共同参与表皮蜡质代谢。
图4 Iw2和GLOSSY1基因组位置的比较
Figure 4 Comparison of the genomic positions of Iw2 and GLOSSY1
致谢和心声
第一作者为中国农业大学农学院小麦研究中心的博士生李玲红。本课题得到了国家自然科学基金（31991214）和中国国家重点研究发展计划（批准号2017YFD0101004）的资助。作者要感谢中国农业大学小麦研究中心这个团结友爱的大家庭，感谢导师倪中福教授的悉心指导和帮助，感谢河北农科院的陈希勇研究员，感谢已毕业的翟会杰师兄和王天雅师姐的帮助，同时也要感谢张明义老师提供突变体材料，感谢上海交通大学的石建新教授实验室提供的的GC-FID和GC-MS分析。过去的2020年对于每个人而言可能都是不同寻常的一年。这篇论文于2020.1.20就开始投稿，中间经历拒稿，修改之后再次投稿，最后于2020.11.18成功被接收，经历了差不多一年的时间。这期间也是一个知识积累和能力提升的过程，当然也是个人意志磨炼的过程。我觉得博士生涯于我而言不仅仅是科研能力的训练，更是个人心态的锤炼过程，无论何时笑对生活，不轻易放弃，就总有幸运会降临。在此，特别感谢我的爱人和小宝贝阿拉萌，感谢我的父母家人及朋友的关心支持与帮助，你们是我前进的不竭动力和源泉！同时也要感谢小麦研究联盟在这个平台，感谢你们的分享和付出，衷心希望你们越来越好！
原文链接：
https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-020-03734-6
