研究背景和意义
籽粒大小是影响小麦产量的重要农艺性状。它决定小麦粒重并和品质性状紧密相关。在小麦的驯化过程和育种历史中，籽粒大小是一个主要的选择和育种目标，被广泛选择和利用以提高产量。因此，了解籽粒大小的遗传因素将为提高小麦产量提供必要的先决信息。
籽粒大小或粒重受到多基因控制。目前，在小麦中鉴定了大量相关QTL分布于所有小麦染色体上。虽然小麦基因组数据的释放极大地加速了小麦基因定位克隆的研究，但是在小麦中通过正向遗传学克隆基因依然比较困难，大部分籽粒大小相关基因仍然是通过同源克隆方式获得。然而越来越多的研究表明，多组学技术结合正向遗传学将会成为小麦基因挖掘和克隆的重要工具。
一粒小麦A基因组与四倍体和六倍体小麦A基因组都来自于同一祖先并具有保守的共线性关系，由于其基因组相对简单且遗传多样性高，一粒小麦是小麦族研究中较为理想的模式物种。本研究以野生一粒小麦（Triticumboeoticum）×栽培一粒小麦（T.monococcum）的重组自交系（RIL）群体作为研究材料，采用RAD-seq方法开发SNP标记，通过构建高密度遗传连锁图谱对籽粒大小相关性状进行QTL定位，并基于比较基因组学和转录组测序分析揭示遗传位点内的候选基因。
主要结果
1.籽粒大小相关性状的表型分析
基于RIL群体表型数据，分析了粒长（GL）、宽（GW）、长/宽（GLW）、面积（GA）、周长（GC）和千粒重（TGW）等六个性状的变异系数、遗传力及相关系数等指标。结果发现籽粒大小相关性状存在丰富的表型变异，千粒重的变异系数 ，粒宽的表型变异要高于粒长；主要性状的遗传力都在0.80以上，说明表型变异主要由遗传因素控制。性状相关性分析发现，千粒重与籽粒大小性状（籽粒长、宽、面积和周长）呈正相关，但与籽粒形态（籽粒长宽比）呈负相关；千粒重与粒宽的相关性高于粒长，暗示粒宽是千粒重的主要决定因子；籽粒长与宽对3个复合性状的影响不同，粒长对周长影响 ，粒宽对长宽比，两者对籽粒面积的影响相近。对其表型结构进行主成分分析（此处分析借鉴了Gegasetal.PlantCell中的方法），发现两个重要组分能够解释表型变异97%以上，并分别反映了籽粒大小和形态的表型变异。
图1一粒小麦RIL群体的六个籽粒大小相关性状表型分布和相关系数。
2.一粒小麦高密度遗传图谱的构建
利用RAD-seq方法，开发了群体SNP标记，构建了一粒小麦的包含7条连锁群（Tm1A~Tm7A）的高密度遗传图谱（图2）。个标记（其中，来自于之前的研究）被定位到个bin（具有 的遗传位置）中；图谱的标记密度为0.17cM/marker、bin密度为1.21cM/bin。通过与之前研究结果比较（Yuetal.TAG）说明了利用RAD-seq方法能够得到数目更多、覆盖度更广的分子标记，并能有效增加图谱分辨率和降低Gap数目。
图2QTL在一粒小麦高密遗传图谱上的分布和候选基因的预测
3.比较基因组学分析
为验证图谱准确性，将一粒小麦遗传图谱与小麦（TaA、TaB、TaD，IWGSCWGAv0.4）和大麦（HvH，IBSCRefSeqV1.0）的物理图谱进行比较分析，2,个SNP与六倍体小麦和大麦的四个同源基因组共线性（图3），占定位标记的88.91%，而定位到大麦H上的SNP最少，说明一粒小麦A与大麦H基因组的亲缘关系较六倍体小麦三个基因组远。通过比较共线性SNP在四个同源基因组上的位置发现，SNP的覆盖度都高于96%（除Ta4A和Ta3B外，~92%）；同时发现一粒小麦与三个小麦同源基因组共线性程度不同，依次为ADB。进一步分析染色体结构发现，一粒小麦中4AL/5AL的相互易位，也验证了六倍体小麦中4AL/5AL/7BS相互易位，但一粒小麦Tm4A并没有发生如六倍体小麦染色体Ta4A的臂间倒位（图3和图4）。
图3比较基因组学分析。（A）TmAvsTaA；（B）染色体4/5/7结构变异；（C）图（B）的详细数据图4比较基因组学分析。（A）TmAvsHvH；（B）HvHvsTaA；（C）遗传图谱覆盖度
4.籽粒大小相关性状的QTL分析及同源基因定位
全基因组QTL分析共检测到42个籽粒大小相关性状的QTL，分布于6条染色体上的17个基因组区间（图2）；其中74%位点的正向等位变异来自于栽培一粒亲本，26%的位点来自野生一粒小麦亲本。联合分析表明，每个性状所有QTL在单个环境下能够解释44%~83%的总表型变异，在群体中随着QTL正向等位变异的累加表型值也显著地增加。9个千粒重QTL与其他性状QTL重叠，重叠比例按照GA（7/8）GW（6/8）GL（3/6）GC（2/5）=GLW（2/5）依次降低（图5），与相关性的紧密程度一致。通过与前人研究的系统比较发现，1A-3、5A-4、5A-5、6A-2和7A-3内的位点是新鉴定的QTL。搜集41个籽粒大小和粒重相关基因，同源定位分析发现37个基因与16个QTL区间相关，其中30个定位到12个区间内，另7个定位到5个区间外但与区间紧密连锁。根据亲本间序列差异开发其中10个基因的分子标记，遗传定位结果与同源定位结果一致。
图5籽粒大小相关性状QTL的遗传重叠
5.QTL的候选基因
对两个亲本的不同发育时期的穗进行转录组分析，共鉴定了4,个亲本间差异表达基因，其中2,个上调、2,个下调；GO和KEGG通路富集分析发现，这些基因主要参与能量代谢和基础代谢，例如光合作用和碳代谢过程，主要表达于质体等细胞器中。
对QTL区间内定位的籽粒大小相关基因和淀粉合成通路基因的表达模式分析发现9个QTL区间内的20个基因差异表达，并与26个QTL相关，表明这些基因可能是QTL的候选基因。前者主要与籽粒大小（库的大小）有关，基因的差异表达主要在前中期对库容的大小影响较大；后者主要与淀粉积累有关，特别是一些限速酶基因（Sus、AGPL、BT1）的差异表达在中后期起作用对对籽粒物质积累影响较大（图6）。综合以上因素，在发育前期，基因的差异表达扩大库容、后期又提高物质积累，最终导致粒重的差异。
图6淀粉合成途径基因的差异表达。（A）淀粉合成通路基因及其表达差异；（B）淀粉合成通路中差异表达基因的表达模式。
年6月21日《JournalofExperimentalBotany》杂志在线发表了中科院遗传发育所张爱民研究团队这一研究成果(DOI:10./jxb/erz)。余慷博士、刘冬成教授（现工作于北京科技大学）和陈勇为该论文的共同 作者，中科院遗传发育所张爱民研究员和中科院植物研究所刘春明研究员为该论文的共同通讯作者。该项研究得到国家重点研发计划和国家自然科学基金项目资助。
本文作者致谢：感谢对本研究提出建议的贾继增研究员、凌宏清研究员、胡玉欣研究员、夏先春研究员、王道文研究员、张学勇研究员。感谢对本文审稿的编辑和三位审稿人。感谢对本研究提出建议和帮助，但未能一一列出的其他老师和同学们。感谢“小麦研究联盟”给与