四川农业大学小麦研究所、山东省农业科学院作物研究所和成都中医药大学创新研究所合作在BMC Plant Biology, 2026, 26:331发表了题为“Q allele overexpression and alternative splicing can improve wheat yield by increasing thousand-kernel weight and grain number per spike”的研究论文。
作者利用化学诱变+定向选择方法创制了小麦驯化基因Q的优异等位变异Qc1-Q1，调查了Qc1-Q1在四川成都的产量和品质效应，初步探讨了Qc1-Q1的育种价值。
小麦是我国的主要口粮作物之一，具有独特的加工品质。小麦的高产和优质对保障我国粮食安全和提升人民生活水平具有重要作用。但是，高产和优质通常负相关。因此，有必要挖掘可打破高产和优质负相关关系的基因资源。
Q基因位于小麦5A染色体长臂，编码一个AP2类型转录因子，在小麦驯化和去驯化中起重要作用（Simon et al. 2006; Jiang et al. 2019）。我们研究发现Q是决定小麦产量和品质的关键基因之一（Xu et al. 2018; Guo et al. 2022）。初步的机制解析发现Q基因能够调控一系列光合作用以及碳/氮代谢相关基因的表达，提高小麦源器官的氮素装载和运输水平，增强籽粒的氮同化能力和氨基酸的转运能力（Zhu et al. 2025）。这说明Q基因具有打破小麦产量和品质负相关关系的潜力。
现代栽培普通小麦品种均携带驯化型Q等位变异，它源于野生小麦q等位变异的自然突变（Simon et al. 2006）。因此，优化改造Q基因对小麦高产优质育种具有价值。我们前期研究发现，Q的上调表达等位变异Qc1可显著提高千粒重、籽粒蛋白含量（~60 g kg－1）和面包体积（~37%）（Xu et al. 2018; Guo et al. 2022）。相比在现代品种中广泛存在的驯化型Q等位变异，Qc1等位变异的miRNA172结合位点存在一个C3129T的碱基突变，这抑制了miRNA172对Qc1转录本的切割，提高了Qc1的表达量。但是，Qc1也导致小麦穗型过密、株高过矮，不能直接用于育种（Xu et al. 2018）。
为解决这一问题，研究小组再次利用化学诱变技术，向Qc1等位变异随机引入突变，以创制具有育种价值的等位变异。我们前期报道了向Qc1的第二个AP2结构域引入突变创制的等位变异Qc1-N8（Chen et al. 2022）。Qc1-N8克服了Qc1导致的不利农艺性状，展现出了协同提升小麦产量和品质的育种潜力。
图1 现代小麦品种中广泛应用的驯化型Q等位变异、Qc1等位变异和Qc1-Q1的DNA序列（a）和cDNA序列（b）比较
为更好挖掘Q基因的育种价值，本研究利用化学诱变+定向选择方法，在等位变异Qc1基础上，创制了等位变异Qc1-Q1（图1）。Qc1-Q1等位变异回复了Qc1引起的穗型过密、株高过矮等不利农艺性状（图2）。与现代小麦品种中广泛应用的驯化型Q等位变异相比，Qc1-Q1的第二内含子5’剪接位点（G542A）和miRNA172结合区域（C3129T）分别有一个碱基突变。G542A导致Qc1-Q1发生可变剪切，产生两个转录本Qc1-Q1a (1344 bp)和Qc1-Q1b (保留第二内含子; 1447 bp) （图1）。Qc1-Q1a转录本编码正常Q蛋白，Qc1-Q1b转录本的编码蛋白在第一个AP2结构域内提前终止。
图2 蜀麦482（SM482-Q；含驯化型Q等位变异）和SM482-Qc1-Q1（含Qc1-Q1等位变异）的植株（a）、穗子（b）和籽粒（c和d）比较
为评价Qc1-Q1的育种价值，我们构建了蜀麦482背景的近等基因系，三个不同环境种植。在单株条件下：与驯化型Q等位变异相比，Qc1-Q1显著增加穗粒数（4.03–5.83粒）、千粒重（1.91–3.65 g），并显著降低了株高（6.43-8.02cm）；在生产条件下，与驯化型Q等位变异相比，Qc1-Q1显著增加穗粒数（3.07–3.50粒）、千粒重（1.98–2.85 g）、单位面积产量（8.97%-12.50%），并显著降低了株高（3.20-6.27cm），表现出较好的育种价值（图2和表1、表2）。品质检测发现Qc1-Q1对籽粒蛋白含量、湿面筋含量、沉降值、稳定时间等参数无影响，也不影响面包和饼干品质。
表1 生产条件下蜀麦482（SM482-Q；含驯化型Q等位变异）和SM482-Qc1-Q1（含Qc1-Q1等位变异）的农艺性状比较
表2 单株条件下蜀麦482（SM482-Q；含驯化型Q等位变异）和SM482-Qc1-Q1（含Qc1-Q1等位变异）的农艺性状比较
为方便育种利用Qc1-Q1等位变异，设计了特异KASP标记（图3）。将Qc1-Q1等位变异导入川麦620，初步筛选出了穗粒数和千粒重均优于亲本的株系（图4）。这进一步说明了Qc1-Q1的育种价值。
图3 Qc1-Q1等位变异的特异KAPS标记
图4 利用Qc1-Q1等位变异选育高产优质株系
普通小麦是异源六倍体，含有A、B和D三个基因组，Q基因在B（5Bq）和D基因组（5Dq）也存在同源基因。我们已证明5Bq 和5Dq基因具有类似Q基因的高产优质潜力。研究小组正在优化改造5Bq和5Dq基因，以更好服务我国小麦高产优质育种。
四川农业大学小麦研究所研究生李庆成和范娅珍是第一作者；四川农业大学祁鹏飞、陈庆、魏育明和郑有良等、山东省农科院作物所曹新有、成都中医药大学徐彬杰参与了本研究。感谢国家重点研发计划(2023YFD1200404)和四川省科技厅 (2024ZYD0160, 2024NSFSC1209) 的资助。
相关文献
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原文链接：
https://link.springer.com/article/10.1186/s12870-026-08188-4
