Высокопроизводительный фенотипический анализ раскрывает генетическую основу эволюции морфологии колоса пшеницы

Исследовательская группа под руководством Лу Фэя из Института генетики и биологии развития (IGDB) Китайской академии наук (CAS) и Го Цзыфэна из Института ботаники CAS определила ключевые генетические факторы, формирующие морфологию колоса пшеницы — критически важный признак для урожайности — с помощью высокопроизводительной фенотипической платформы.

Их результаты, опубликованные в Cell Reports, предлагают молекулярные мишени для повышения урожайности пшеницы с помощью прецизионной селекции.

Морфология колоса напрямую влияет на число зерен в колосе и массу зерна — два основных компонента урожайности. Однако традиционные ручные измерения не могли уловить детальные вариации в разных частях колоса, что ограничивало усилия по раскрытию лежащих в основе генетических механизмов.

Чтобы решить эту проблему, команда разработала платформу для высокопроизводительного фенотипирования на основе изображений, применив технологию 3D-сегментации для точного измерения параметров колоса, таких как длина, ширина, толщина, площадь и объем. Впервые они систематически количественно оценили 54 признака морфологии колоса, заложив важную основу данных для углубленного генетического анализа его архитектуры.

С помощью полногеномного поиска ассоциаций (GWAS) исследователи выявили 288 значимо ассоциированных геномных регионов в глобальной панели из 306 образцов пшеницы и определили 303 ключевых региона у 1053 сортов китайской селекции. Они показали, что географическая дифференциация и тенденции селекционного отбора по морфологии колоса (например, межконтинентальные различия в объеме колоса) в основном регулируются комбинациями гаплотипов.

Примечательно, что разные гаплотипы в регионе хромосомы 2D (содержащем гены TaDA1 и Rht8) значительно модулируют длину и ширину колоса. Отрицательная корреляция между длиной колоса и его шириной/толщиной, обычно наблюдаемая у мировых местных сортов, была преодолена в современной селекции путем отбора синергетических гаплотипов (например, C-trait3-2D.1, C-trait9-1A.4 и C-trait15-5B.2).

Анализ столетней истории селекции в Китае показал, что хотя длина колоса оставалась стабильной, непрерывное увеличение его ширины и толщины привело к значительному росту объема колоса.

Особый интерес представляет то, что гаплотипы, контролирующие объем колоса в разных пространственных сегментах (P1–P5), демонстрировали направленное обогащение в ходе современной селекции. Например, частота благоприятного гаплотипа C-trait51-5B.2 резко возросла с 12.6% до 61.14%. Молекулярная валидация показала, что благоприятный гаплотип гена TraesCS1D02G068300 может увеличивать объем колоса на 53.23%.

Это ключевое открытие не только подтверждает, что накопление (стэкинг) гаплотипов является эффективной стратегией повышения урожайности, но и предоставляет важные теоретические основы и ценные генетические ресурсы для молекулярного дизайна высокоурожайных сортов пшеницы.