孫加強：植物活體影像系統(tǒng)助力小麥科學(xué)研究
小麥起源西亞，4000年前引入中國，主要在中國北方旱地種植，形成現(xiàn)在中國南稻北麥的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)主體。小麥?zhǔn)侨蠊任镏唬袊鞘澜缟献畲蟮男←溕a(chǎn)國和消費國，具有保障我國糧食安全的作用，在中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上很受重視，優(yōu)良品種是提高小麥產(chǎn)量的關(guān)鍵，獲得優(yōu)良品種的關(guān)鍵是育種技術(shù)。今日，分析測試百科網(wǎng)采訪了中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所小麥株型基因解析創(chuàng)新研究組組長孫加強研究員，其團隊長期致力于小麥重要農(nóng)藝性狀的分子基礎(chǔ)與設(shè)計育種。他將分享小麥基因研究的多種新技術(shù)，尤其是植物活體影像系統(tǒng)在蛋白互作、基因表達(dá)調(diào)控、基因變異等研究中發(fā)揮的巨大作用。
中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所 孫加強研究員
小麥育種技術(shù)步入基因時代
小麥?zhǔn)俏覈匾诩Z作物，種植于北部旱地，河南省為國內(nèi)小麥重要主產(chǎn)區(qū)，占我國小麥產(chǎn)量1/4。種子是農(nóng)業(yè)的芯片，小麥優(yōu)良品種的培育是小麥產(chǎn)量的關(guān)鍵。小麥產(chǎn)量關(guān)系國家糧食安全問題，我國國家領(lǐng)導(dǎo)人很重視小麥的發(fā)展，同時小麥育種學(xué)家付出很大努力，育成很多品種，比較知名的育種學(xué)家如農(nóng)科院作科所的莊巧生院士，他的團隊育成比較早的品種；中科院遺傳發(fā)育所李振聲院士開展了小麥遠(yuǎn)緣雜交研究，利用長穗偃麥草與普通小麥進(jìn)行雜交，將偃麥草優(yōu)良的抗逆、抗病基因引入普通小麥中；江蘇里下河地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所程順和院士育成揚麥系列品種；山東農(nóng)科所趙振東院士育成濟麥系列品種，多年來濟麥22一直是中國推廣面積最大的品種；河南科技學(xué)院茹振鋼教授育成的矮抗58是目前河南省最大的品種。
? ? ? ? 相比水稻和人類基因組，小麥的基因組比較復(fù)雜，是異源六倍體，五十萬年前起源于二倍體，經(jīng)過2次自然雜交后形成異源六倍體。這種復(fù)雜性使小麥基因組學(xué)的發(fā)展相對滯后，直到2013年中國對小麥祖先種A基因組、D基因組進(jìn)行了測序，小麥研究才步入基因組時代。我國科研人員在小麥在育種、基因組研究上均做出巨大貢獻(xiàn)。
3大研究解析小麥性狀
? ? ? ? 為了保證全球糧食安全，研究者一直在尋找小麥的優(yōu)良農(nóng)藝性狀以提高其產(chǎn)量。孫加強研究員團隊主要研究方向為小麥重要農(nóng)藝性狀??、基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)解析和分子設(shè)計育種方向，圍繞小麥產(chǎn)量性狀進(jìn)行研究，包括穗型、株型、抗逆性狀（抗旱、抗鹽、抗穗發(fā)芽、抗病等關(guān)鍵性狀）。課題組經(jīng)過努力已克隆一批與小麥穗型、株型相關(guān)的重要基因，并利用這些基因解析小麥穗型、株型的分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，挖掘小麥抗逆、抗旱方面優(yōu)異的等位基因，并且利用等位基因進(jìn)行分子育種工作，在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域推動小麥重要農(nóng)藝性狀分子機制的挖掘，更好服務(wù)小麥育種，為優(yōu)良等位基因用于小麥分子育種、遺傳改良、新品種培育方面做出貢獻(xiàn)。
代表性成果一：小麥馴化性狀與適應(yīng)性的分子機制
? ? ? ? 遺傳和環(huán)境因素影響植物結(jié)構(gòu)，鑒定與小麥植株結(jié)構(gòu)相關(guān)的調(diào)控基因，有利于理解表型變異的遺傳基礎(chǔ)，并培育出具有理想小麥植株結(jié)構(gòu)的優(yōu)良品種。然而，除了小麥“綠色革命”基因Reduced height 1，決定小麥株型的主要基因仍有待鑒定。TEOSINTE BRANCHED1 (TaTB1)、BARREN STALK1 (TaBA1)在不同植物物種同源基因調(diào)節(jié)植物株型中起著保守作用，孫加強研究員團隊發(fā)現(xiàn)其在tae-miR156-OE面包小麥植株中表達(dá)顯著降低，由此證實miR156-TaSPLs和獨腳金內(nèi)酯（Strigolactones, SLs）信號通路在面包小麥分蘗和穗型發(fā)育過程中的潛在關(guān)聯(lián)。團隊在小麥馴化性狀與適應(yīng)性的分子機制取得了系統(tǒng)性研究成果，分別發(fā)表在Plant Biotechnology Journal （2018）和New Phytologist (2019，2021)，在國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域引起較為廣泛的影響，得到 Faculty of 1000 Biology國際同行專家的高度評價。
串聯(lián)miR156基因結(jié)構(gòu)對小麥分蘗起重要調(diào)控作用（Plant Physiology, 2017）
TaPIL1對小麥分蘗起重要調(diào)控作用（New Phytologist, 2021）
代表性成果二：小麥株型的分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)
? ? ? ? 孫加強研究員團隊在小麥株型分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)取得系列研究成果，分別發(fā)表在New Phytologist (2021)，The EMBO Journal (2020），Molecular Plant (2019) ，Plant Biotechnology Journal （2019）和Plant Physiology (2017)。
植物活體影像系統(tǒng)助力小麥表型分子機制研究
近年來活體成像技術(shù)獲得較快發(fā)展，在動植物研究尤其在功能基因分析中發(fā)揮重要作用。
NightShade LB 985 體內(nèi)植物成像系統(tǒng)
? ? ? ? 德國伯托NightShade LB 985 體內(nèi)植物成像系統(tǒng)是一種模塊化、易于使用的光學(xué)成像系統(tǒng)，專用于植物體內(nèi)分析。它配備絕對不透光的機柜和深度冷卻的?CCD 攝像頭，可以對組織、幼苗和整株植物進(jìn)行靈敏的發(fā)光和熒光監(jiān)測。其相機可安裝在暗室（樣品室）的頂部或側(cè)面，以便從上方和側(cè)面進(jìn)行成像。此外，可以模擬溫度或光線等關(guān)鍵環(huán)境條件，以提供受控的生長環(huán)境。
? ? ? ??孫加強研究員表示：NightSHADE LB 985植物活體影像系統(tǒng)在小麥基因功能研究中發(fā)揮了非常重要的作用，課題組的每個研究項目均使用了植物活體成像系統(tǒng)，主要用于活體植物中兩個蛋白之間的物理互作分析。蛋白互作為植物活體研究，更反映真實細(xì)胞內(nèi)作用，操作起來無需體外細(xì)胞純化，操作方便，利于科研工作者。該分析靈敏度高，能檢測到比較弱的互作，假陽性和假陰性低，且不必考慮蛋白自激活的影響。
? ? ? ??植物活體影像系統(tǒng)可用于小麥蛋白的互作分析，在植物活體成像系統(tǒng)篩選的基礎(chǔ)上，再使用其它方法進(jìn)行驗證。它還可分析小麥基因的表達(dá)調(diào)控，例如轉(zhuǎn)錄因子對靶基因的激活或抑制作用；此外，還可以分析小麥的基因變異，如啟動子自然變異對啟動子活性的影響、基因啟動子變異對基因表達(dá)的影響，利用基因變異序列和報告基因熒光素酶融合，通過植物活體影像系統(tǒng)觀察，可以直觀地了解自然變異對基因表達(dá)情況的影響。
小麥基因啟動子活性分析實驗
基因組加速分子育種時代來臨
孫加強研究員也談到了轉(zhuǎn)基因的研究和應(yīng)用情況。美國利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)處于前列，比如商業(yè)化轉(zhuǎn)基因作物抗除草劑大豆（90%均為轉(zhuǎn)基因）、抗蟲玉米。中國商業(yè)化作物主要為轉(zhuǎn)基因抗蟲棉，而小麥、水稻等口糧作物尚未商業(yè)化種植。轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品需要經(jīng)過嚴(yán)格的審查，包括對人體和環(huán)境的安全評價，獲得安全證書后才能商業(yè)化，因此公眾不比擔(dān)心轉(zhuǎn)基因食品對人體健康的影響。
? ? ? ? 隨著功能基因組的快速發(fā)展，水稻等作物已進(jìn)入分子設(shè)計育種時代。小麥基因組相對較復(fù)雜，未來5-10年小麥的基礎(chǔ)研究和育種工作將全面進(jìn)入分子水平時代，例如構(gòu)建更多的小麥重要農(nóng)藝性狀的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，挖掘小麥優(yōu)異基因資源，利用基因編輯技術(shù)等進(jìn)行分子設(shè)計育種，還可以利用分子育種標(biāo)記和常規(guī)育種結(jié)合進(jìn)行分子標(biāo)記輔助育種等，從而更深入地了解小麥重要農(nóng)藝性狀，并可縮短育種周期，育種亦更精準(zhǔn)。
參考文獻(xiàn)：
? ? ? ? Liu J, Cheng X, Liu P, Sun J. miR156-Targeted SBP-Box Transcription Factors Interact with DWARF53 to Regulate?TEOSINTE BRANCHED1?and?BARREN STALK1?Expression in Bread Wheat[J].?Plant Physiol,?2017,174(3):1931-1948.
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